摘要：节点间测距是无线传感器网络中依据间隔的定位算法的关键技能之一，为了下降节点本钱，进步测距精度，提出了选用超声波非反射式测距技能完结WSN节点的测距。选用试验室克己的超声波收发模块与JN5148开发板作为硬件渠道，在试验室与教学楼走廊进行了测距试验。试验成果表明，该测距体系能够抵达较高的测距精度，能够为无线传感器网络的定位供给牢靠的间隔信息。
关键词：无线传感器网络；定位；超声波测距；测距精度；JN5148
无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是指由许多低本钱，具有感知、核算和无线通信才能的传感器节点组成的网络。它集成了无线通信技能、分布式核算技能、传感器技能、集成电路技能以及微机电体系(Micro-electromech-anical Systems，MEMS)技能，是一种全新的信息获取和处理技能。在无线传感器网络中，方位信息对传感器网络的监测活动至关重要，事情发生的方位或获取信息的节点方位是传感器节点监测音讯中所包含的重要信息，与感知地址没有相关的感知数据往往没有意义。
现有的定位体系和算法能够依据是否丈量节点间的相关信息分为两类：依据间隔的定位技能(Range-based)和间隔无关的定位技能(Ran ge-free)。间隔无关的定位技能的精度和收敛速度在必定程度上依赖于网络均匀每跳节点间隔估量的精度，并且当无线传感器网络各向异性或拓扑结构比较复杂时算法的性能将显着变差；依据间隔的定位技能的精度则相对较高，能够为无线传感器网络使用供给更为精确的方位信息，现在已被广泛选用。
节点间测距是依据间隔的定位技能的第一阶段，是无线传感器网络中依据间隔的定位技能的根底。测距一般使用电磁波学、光学、声学等原理完结，如红外测距、激光测距、超声波测距等。红外测距具有价格便宜、易制、安全等长处，但精度低、间隔近、方向性差；激光测距的长处是精度高，但本钱高、制造难度大，使用时需求留意人体安全，且光学体系需求坚持洁净，不然影响丈量；超声波测距的长处是比较耐污耐脏，不受光线、电磁波、烟雾和尘埃的影响，且指向性好。考虑到传感器节点的体积、功耗、本钱和布置环境，超声波测距更适用于无线传感器网络。
文中经过研讨超声波测距技能的国内外开展现状，对回波测距与非反射法测距办法的优缺点进行比较并剖析影响超声波丈量间隔和精度的首要要素。然后，选用非反射式测距办法，使用试验室克己的超声波收发模块，在JN5148开发渠道下进行软件规划和开发。终究进行了测距试验和成果剖析，验证了该测距体系的稳定性和可行性。
1 相关研讨
1．1 回波测距
回波测距的原理比较简略：检测超声波由发射探头经空气介质传达抵达被检测物(其他节点或障碍物)之后返回到承受探头的这段时刻△t，那么超声波的传达间隔D=vux△t，其间vu为超声波在空气中的传达速度，而终究的丈量间隔d=D／2。
回波法测距的进程如图1所示，其间的超声波收、发探头坐落同一个节点上，也能够选用收发一体探头，市场上许多超声波测距仪都是使用超声波反射原理制成的。超声波在空气介质中传达的时分，跟着间隔的添加，其能量会逐步削弱，振幅也会随之减小。因而，选用回波法测距需求有反射物，且无法防止信号反射时能量的损耗和波形失真，丈量间隔也会遭到影响。
1．2 非反射式测距
超声波非反射式测距进程如图2所示：超声波信号由发送节点宣布，不经反射直接由接纳节点接纳。这样只需求测出超声波从发送端开端发送到接纳端接纳的时刻差△t，则发送节点与接纳节点之间的间隔d=vux△t，其间vu为超声波在空气中的传达速度。
与回波测距比较，非反射式测距无需反射物，能够防止多径反射和信号反射时的能量损耗和波形失真，丈量间隔也会更远。因而，无线传感器网络中使用超声波信号作为信息载体进行测距时，更多的是选用非反射式测距。但非反射式测距办法要求收、发节点之间坚持时刻同步。时刻同步精度将直接影响测距精度，Cricket体系和AHLos体系等都是依据时刻同步这一假定的测距定位体系。
1．3 测距精度
超声波信号简略遭到环境参数、传输视点的影响而发生传输差错，别的，节点在处理超声波接纳信号时所发生的检测差错同样会影响测距精度。因而，影响超声波测距精度的要素首要包含两个方面：
1)环境要素
对超声波信号发生影响的环境要素首要有温度、湿度和大气压强，其间超声波信号的传输速度相关于湿度和大气压强的改动不是很灵敏，但关于环境温度的改动却十分灵敏。实践情况下温度每上升或许下降1℃，声速将添加或许减小0．607 m／s，这关于测距精度要求较高的体系来说是不容忽视的差错来历。
别的，传达到空气中的超声波强度随间隔的改动成份额地削弱，这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的分散丢失，也是因为介质吸收能量发生的吸收丢失。超声波的频率越高，衰减率就越高，波的传达间隔也就越短。
2)检测差错
在接纳端，超声波传感器接纳到超声波信号今后首要对信号进行扩大，然后选用阈值检测法、时延估量法或谱线剖析法等办法判别超声波信号已抵达并记录下超声波传达时刻，终究经过超声波的传达时刻预算间隔。选用不同的检测办法，需求不同的硬件支撑，并且信号的扩大及检测进程都会给节点程序的处理带来必定的延时。以阈值检测法为例，当扩大后的信号强度抵达某个门限值时触发中止陈述超声波信号现已抵达，并且跟着丈量间隔的增大，因为超声波信号的衰减而使接纳信号强度削弱，然后导致检测电路不能及时乃至不能判别出超声波信号的抵达。别的，同步精度、信号之间的抵触也会带来检测差错。
2 超声波测距试验
2．1 试验预备
试验时选用了试验室克己的超声波收发模块与JN5148-EK010开发渠道完结测距试验。试验室克己的超声波收发模块结构如图3所示，选用硬件结构简略的阈值检测法完结超声波的接纳检测。JN5148是NXP公司推出的第三代全面支撑ZigBee PRO，具有更低功耗和更强处理才能，彻底兼容2．4GHz IEEE802．15．4规范的无线SoC。芯片集成了32位RISC处理器，4～32 MHz主频可调。
在发送端，使用JN5148的通用IO和定时器的PWM形式为超声波发送模块供给使能信号和脉冲驱动信号；在接纳端，使用JN5148的通用IO、SPI总线和定时器的计时形式为超声波接纳模块供给使能信号、扩大电路的增益操控信号和信号接纳终端。收发同步则使用JN5148的RF信号。测距体系的软件规划依据ZigBee PRO协议，便于扩展成为一个完好的定位体系。
2．2 试验描绘
挑选两个JN5148节点，发送节点为Coordinator节点，接纳节点为Router节点。其间，Coordinator节点一起发送RF同步信号和40 kHz超声波并作为移动节点用来改动两节点之间的间隔；Router节点接纳到同步信号今后开端计时，检测到超声波信号今后中止计时并核算出间隔。Router节点经过串口与PC机相连，经过PC机的串口调试帮手就能够检查相关的调试信息和测距成果。
针对影响超声波测距精度的环境要素，选用JN5148内置的温度传感器对超声波的传达速度进行补偿，即vu=331．5+0．607t(m／s)，vu为补偿后的速度，t为环境温度(℃)；关于软件延时、同步精度等带来的检测差错，则使用参量补偿的软件办法来较小差错。依据试验环境的不同，规划了室内和走廊测距试验。室内试验在试验室进行，走廊试验在教学楼的走廊进行，走廊宽约3 m，长约30 m。
2．3 试验成果
为了减小测距差错，以屡次丈量的均匀值作为测距成果。试验进程中，Coordinator节点每隔1 m移动一次，每个点丈量60次。室内5 m规模的丈量成果如图4所示，样本数据均匀差错为6 cm，最大差错为10 cm。作为比照，将走廊5 m规模的丈量成果也在图4上作了标明，样本数据均匀差错为10 cm，最大差错为13 cm。走廊10 m规模内的丈量成果如图5所示，样本数据均匀差错为17 cm，最大差错为46 cm。试验成果表明，该超声波测距体系的精度较高，能够满意WSN定位要求。
3 定论
论文介绍了超声波测距技能原理和影响测距精度的首要要素。经过试验证明，用射频信号能够完结收发节点的同步，用温度补偿和软件处理推迟的办法能有用削减差错，进步测距精度。试验成果表明，室内测距的均匀差错为6 cm，走廊测距的均匀差错为13 cm，但跟着丈量间隔的添加，差错也会添加，且不同的试验环境会带来不同的差错。超声波的传输速度和途径受环境影响且用软件办法处理推迟不能从根本上消除检测差错，因而在不同的环境下丈量超声波信号在节点间的传输时刻会有不同的差错。
总归，成果表明，超声波非反射式测距精度较高，适用于依据间隔的定位体系，在无线传感器网络中将得到广泛使用。
