无线传感器网络的短距声通信方法研究*

邸丽霞， 张彦军， 刘文怡

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)

无线传感器网络的短距声通信方法研究*

邸丽霞1,2， 张彦军1,2， 刘文怡1,2

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)

在无线传感器网络(WSNs)所处环境中，由于强电磁或短距无线通信频率共存的原因，传感器节点间的短距无线通信常常会受到干扰甚至中断。针对这个问题，研究了一种短距声通信方式，将信号调制于声信号上，通过空气中声信号的传播来完成节点之间的数据通信。设计了用于验证声通信方法的实验系统结构；介绍了微分相移键控(DPSK)调制与解调原理及相关Matlab程序流程、输出与接收放大电路设计。进行了声通信实验，在室内环境时，声通信的最佳距离为2 m,室外环境时，声通信的最佳距离为5 m,最佳波特率均为294 bps。实验数据表明：本系统所设计的声通信方法是可行的。

无线传感器网络； 声通信； 微分相移键控； 多径效应

0 引 言

无线传感器网络(WSNs)是由部署在一定监测区域内的众多传感器节点以自组织的形式、通过无线通信方式处理、传递并获取监测对象信息的网络系统。

WSNs中，无线频谱的传输频段一般优先选择多数国家均无需申请的2.4 GHz，而随着电子技术的发展，短距无线通信技术的应用越来越广泛，在WSNs所处的应用环境中，包括蓝牙(Bluetooth)、无限局域网(Wi-Fi)、无绳电话、无线USB等许多短距无线通信技术都使用了2.4 GHz ISM频段[1]，当它们同时运行时，会干扰甚至中断WSNs的无线通信。同样，一些强电磁环境(如使用中的微波炉周围、变电站、有恶意电磁干扰的场合等)中，WSNs的短距无线通信也可能会受到干扰甚至被中断。

因此，研究一种不占用无线信道带宽、不受电磁干扰的通信方式用于处理上述干扰环境中的WSNs中是非常必要的。参考水下WSNs的水声通信方式，本文将研究一种短距声通信方式，将信号调制于声波上，通过声波的传播实现传感器节点间的数据通信[2]。

1 声通信实验系统结构设计

为验证短距声通信方法应用于WSNs的可行性，设计用于测试的试验系统，其结构框图见图1所示。采用Matlab软件完成声信号的调制与解调，调试方便；计算机声卡用于输出或采集声信号，它是通过调用Matlab函数库中的声卡调用函数来实现的；输出放大电路用于放大计算机声卡输出的信号来驱动换能器工作，接收放大电路则用于放大换能器传来的微弱信号以供计算机声卡进行准确采集；换能器采用压电式换能器，用于完成电—声与声—电转换[3]。

图1 声通信试验系统结构框图Fig 1 Structure block diagram of acoustic communication test system

该系统的工作流程如下：系统启动后，一台计算机的Matlab程序运行声卡调用函数，在计算机音频输出口输出调制后的电信号，经过放大电路后，驱动换能器完成电/声转换，将声信号传送到空气中；同时，另外一台计算机将接收刚才的声信号，通过换能器完成声/电转换，经放大电路后，计算机的Matlab程序运行声卡调用函数，将采集到的电信号交由Matlab程序完成解调工作。

2 微分相移键控调制与解调原理

本系统参考水声通信的方法，同时综合考虑各种调制方法的通信距离、通信质量、程序复杂度等，最终决定选用微分相移键控(DPSK)调制方法[4]。

DPSK信号表达式为

(1)

图2 DPSK调制流程Fig 2 DPSK modulation process

图3 DPSK解调流程Fig 3 DPSK demodulation process

解调时，DPSK信号经带通滤波后，在乘法器中完成差分“相干”检测，输出

(2)

低通滤波滤去2ω0成分，得到

(3)

最后经抽样判决器判别后得到解调的二元码

(4)

3 Matlab程序设计

3.1 声信号调制与发送程序

Matlab程序是本实验系统的核心，在实验过程中，为了获取良好的声通信效果，依据所获得的实验数据，对Matlab程序进行了多次改进。声信号调制与发送的Matlab程序流程图见图4所示。

图4 声信号调制与发送流程图Fig 4 Flow chart of acoustic signal modulation and sending

3.2 声信号接收与解调程序

本实验系统中，声通信的通信信道为接近地面的空气，声信号在传播过程中，一部分信号从发送端经空气直接到达接收端，而有一部分信号则因为地面和某些障碍物的存在从发送端经过不同的反射路径才到达接收端，这就导致了接收到的声信号中不仅有原始声脉冲信号，还包含了混响声脉冲信号，这就是多径效应[5]。

多径效应的存在会增加通信误码率，缩短通信距离，因此,必须采取措施有效消除多径效应对声通信的影响。本系统采用定性估计方法，将2只传感器节点放于实际的应用环境中，其中，一个节点发送单一频率的声脉冲信号给另外一个传感器节点，根据所接收的声脉冲信号来分析多径数目、多径衰减、多径时延等[6]。有了定性分析结果后，在实际的实验中就可以通过一定的算法来消除混响声脉冲信号的干扰，提高通信质量。声信号接收与解调的Matlab程序流程图见图5所示。DPSK信号解调之前，先由声卡采集信号完成多径效应的定性估算以得到修正算法，接着开始正式接收声信号，并对其进行修正以提高通信质量。

图5 声信号接收与解调流程图Fig 5 Flow chart of acoustic signal receiving and demodulation

4 放大电路设计

4.1 输出放大电路设计

传感器节点采用锂离子电池(电压为3.7 V)供电，不足以驱动压电发声换能器工作，因此，需采取升压措施。输出放大电路如图6所示，电路采用升压式的D类放大器PAM8902，可将锂离子电池的3.7 V电压升为17.5 V来驱动换能器，此外，可以通过PAM8902的INP引脚的信号大小来自动停止或开启信号放大相关工作，以节省电池能量[7]。

图6 输出放大电路Fig 6 Output amplifier circuit

4.2 接收放大电路设计

实验过程中，2台计算机之间的距离可能为几米甚至几十米，声信号传输到压电式传声换能器时已经十分微弱，因此,必须采取措施对其进行放大，以方便计算机声卡对信号进行准确采集。接收放大电路如图7所示，采用2级放大，第一级放大器采用AD623，放大倍数为10倍，第二级采用LM324，放大倍数为100倍，总体放大倍数接近1 000倍，足以将压电式传声换能器接收到的微弱信号放大，使系统采集到良好的数字信号，方便后续处理。

图7 接收放大电路Fig 7 Receiving amplifier circuit

5 声通信实验

本实验包含2种实验环境：室内环境和室外环境。室内环境为摆设着各类办公用品和家具的办公室，环境音量约为50 dB，面积大小为9.6 m×7 m×3.1 m；室外环境为空旷无明显障碍物的广场，环境音量约为40 dB，面积大小为110 m×65 m。

实验时，计算机一端连续、循环地发送已经调制好的声信号，即二进制编码“110011110010100”，另一端的计算机进行解调，一定时间(10 min)内计算通信误码率。

为得到良好的声通信效果，综合考虑空气中声信号特性和压电换能器的频率响应特性，设定DPSK信号载波频率为2 940 Hz，当发送波特率为294 bps时，发送DPSK信号波形和相应的频谱分析见图8、图9所示。

图8 发送DPSK信号波形Fig 8 Sending DPSK signal waveform

图9 发送DPSK信号频谱分析Fig 9 Sending DPSK signal spectrum analysis

室内环境中，发声换能器与传声换能器相距5 m时，接收图8的DPSK信号，接收到的声信号波形、滤波与修正后波形及其频谱分析见图10、图11、图12所示。

图11 修正后的声信号波形Fig 11 Revised acoustic signal waveform

图12 修正后声信号的频谱分析Fig 12 Spectrum analysis of revised acoustic signal

5.1 室内环境实验

令发送端发送声信号的功率与波特率保持不变，改变发送端与接收端间的距离，测试通信误码率，结果见表1。

令发送端发送声信号的功率保持不变，同时通信距离保持5 m不变，改变发送声信号的波特率，测试通信误码率，结果见表2。

表1 不同距离时的通信误码率Tab 1 Communicated bit error rate of different distances

表2 不同波特率时的通信误码率Tab 2 Communicated bit error rate of different baud rate

5.2 室外环境实验

令发送端发送声信号的功率和波特率保持不变，改变发送端与接收端间的距离，分别测试通信误码率，结果见表3。

令发送端发送声信号的功率保持不变，同时通信距离保持7m不变，改变发送声信号的波特率，分别测试通信误码率，结果见表4。

表3 不同距离时的通信误码率Tab 3 Communicated bit error rate of different distances

表4 不同波特率时的通信误码率Tab 4 Communicated bit error rate of different baud rate

由上面4个表可知，由于室内噪声干扰等比室外严重，因此，室外通信质量比室内好。2只传感器间距离越大，误码率越高；波特率越大，误码率越高。

6 结 论

WSNs所在的应用环境中有可能存在短距无线通信的“拥堵”和强电磁干扰导致的通信不稳定甚至中断问题，为解决这个问题，本文对一种短距声通信技术进行了理论研究和实验测试。设计了用于测试声通信的实验系统结构;介绍了实验中DPSK调制与解调原理及其相关Matlab程序流程以及输出与接收放大电路的设计。利用所设计的实验系统进行测试，获取实验数据，在室内环境时，声通信的最佳距离为2 m；室外环境时，声通信的最佳距离为5 m,最佳波特率均为294 bps，验证了本系统所设计的声通信方法的可行性。

[1] 任丰原，黄海宁，林 闯.无线传感器网络[J].软件学报，2003,14(2):1148-1157.

[2] 郭忠文,罗汉江,洪 锋,等.水下无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展,2010,47(3):377-389.

[3] 赵克勤.常用电声器件原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,1990.

[4] 于 洋,相敬林,张效民.水下传感器网络节点设计及实现[J].西北工业大学学报,2010,28(2):207-210.

[5] 郭忠文,罗汉江,洪 锋,等.水下无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展,2010,47(3):377-389.

[6] 孟令军.基于音频的WSN节点自定位技术研究[D].北京:中国科学院电子学研究所,2010.

[7] 卢伍根.无线传感器网络节点硬件平台的研究与实现[D].郑州：解放军信息工程大学，2007:16-27.

Research of short-range acoustic communication method for WSNs*

DI Li-xia1,2, ZHANG Yan-jun1,2, LIU Wen-yi1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In environment of wireless sensor networks,due to strong electromagnetic field or the coexistence of short-distance wireless communication frequencies，short-distance wireless communications among sensor nodes may be disturbed and even be interrupted.Aiming at this problem,study a kind of short-range acoustic communication mode which modulates transimitted signals on sound waves and completes data communication among nodes through the propagation of sound waves in air.Firstly,design test system structure which is used to validate acoustic communication method,then introduces DPSK modulation and demodulation principle，related Matlab program flow，output and receiving amplifier circuit design.Finally,the acoustic communication experiments is carried out,it shows that the best distance of acoustic communication is 2 m in indoor environment and the best distance of sound communication is 5 m.The best baud rate are all 294 bps.The experimental data verifies that the designed acoustic communication method by this system is feasible.

WSNs; acoustic communication; DPSK；multipath effect

�收到的声信号波形 Fig 10

acoustic signal waveform

2013—09—11

国家自然科学基金资助项目(51075375)

TN 929

A

1000—9787(2014)04—0052—04

邸丽霞(1990-)，女，山西太原人，硕士研究生，主要研究方向为测试计量技术与仪器。