摘 要：在对短距离声通信技术进行研究的基础上，以ARM为主处理器，设计了一种具有短距离声通信功能的传感器节点。该节点为这些环境中的无线传感器网络提供了一种不占用无线信道带宽、不受电磁干扰的通信方式。利用所设计的传感器节点实现了两节点间的短距离声通信，验证了短距离声通信的可行性。

关键词：无线传感器网络；短距离声通信；ARM；传感器节点

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)是由部署在监测区域内的大量传感器节点通过无线通信以自组织方式形成的以信息获取为目的的网络系统[1]。WSN具有强大的信息获取功能，可以极大地扩展人们感知客观世界的区域，提高人们认识客观世界的能力，具有十分广阔的应用前景。水下无线传感器网络UWSN（Underwater Wireless Sensor Networks）是无线传感器网络在海洋等水下环境中的应用特例[1]，它继承了无线传感器网络的许多成熟技术，最大区别在于通信方式的不同，WSN主要使用无线通信方式，而UWSN主要采用水声通信方式[2-4]。

在无线传感器网络的某些应用环境中可能会存在短距离无线通信频率共存或强电磁干扰，从而导致无线通信的不稳定甚至通信中断。为解决以上问题，参考水下无线传感器网络所使用的水声通信技术，提出了一种可用于无线传感器网络的短距离声通信技术，在对相关理论进行研究的基础上，设计了一种以ARM为主处理器、FPGA作为协处理器的具有短距离声通信功能的传感器节点，并进行了测试。

1 系统总体结构和实现原理

1.1 硬件系统结构

传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，无线传感器网络是由数量众多的传感器节点通过自组织方式组成的通信网络。传感器节点通过所携带的某一种或多种传感器来获取外界特定的物理信息数据，所获取的监测数据通过无线传感器网络上传给用户节点。该设计增加了声通信作为协通信方式，设计出一种新型的传感器节点，其结构框图如图1所示。该传感器节点将射频无线通信方式作为主通信方式，当遇到强电磁干扰不能正常通信时，可以使用声通信作为协通信方式来进行通信。由该传感器节点组成的无线传感器网络能够很好地解决在某些特殊环境中的短距离无线通信“拥堵”或强电磁干扰所致的通信不稳定甚至通信中断问题。

1.2 传感器节点的声通信实现原理

为在传感器节点上实现短距离声通信，声通信模块为设计的最重要部分。考虑到物理层的需要，设计声通信模块的原理框图如图2所示。该设计主要包括传感器节点的处理器模块（ARM）、协处理器模块（FPGA）、放大模块和换能器，通过这些模块的协调工作来实现通过声信号进行数据发送和接收。

发送数据时，CPU首先开启A/D模块，并通知控制逻辑准备发送数据，控制逻辑根据A/D模块采集到的数据进行空闲信道评估，判断信道是否空闲。如果信道空闲，则通知CPU可以发送数据，CPU将待发送数据发送到发送数据FIFO中，并使能D/A模块。控制逻辑对接收到的数据进行编帧及差分编码等一系列处理后，将数据发送给声信号调制单元进行DPSK调制，D/A模块将调制好的数据流转换成模拟信号，经发送放大电路放大后驱动电声换能器发送声信号。

接收数据时，CPU先启动控制逻辑和A/D模块，控制逻辑根据A/D采集到的数据进行声信道能量检测，判断声信道中是否有其他节点在发送信号，若有则控制声信号解调单元进行DPSK解调，经过计算获取最终数据，并通知CPU准备接收解调数据。如果CPU不忙，则将数据发送到解调数据FIFO，CPU从FIFO中读取接收到的数据。

2 硬件构成

传感器节点中主要包括处理器模块、无线通信模块、换能器、放大模块、传感器模块、存储器模块及供电模块等。本文设计的短距离声通信传感器节点的重要部分为声通信模块，由处理器模块、放大模块及换能器组成。

2.1 处理器模块

声通信传感器节点的处理器包括主处理器ARM和协处理器FPGA。主处理器使用的是意法半导体(ST)公司推出的基于ARM Cortex-M3的系列中最高配置芯片STM32F103ZE，负责对传感器节点工作流程的控制和对监测数据的初步处理。该处理器片上集成了512 KB的Flash和64 KB的静态SRAM，具有2个12位ADC可用来采集数据，具有实时性能优异、功耗控制方便、外设丰富、易于开发等优点[5-6]。协处理器采用可编程逻辑器件FPGA，主要用于声通信的调制与解调，进行较为复杂的数据处理，如监测数据的压缩等。使用Altera公司CycloneⅡ系列中的EP2C35F484，该型号FPGA芯片具有丰富的逻辑资源，有较多的I/O端口和大容量的内部RAM，能很好地满足设计要求。

2.2 换能器

电声换能器是完成电-声转换和声-电转换的器件。压电式换能器在电声转换效率、频率特性、体积、造价等方面都有一定的优势。压电换能器分为发射型换能器（蜂鸣器、扬声器等）和接收型换能器（拾音器、微音器等）。该设计中传声换能器及发声换能器均选用压电式换能器来完成声信号的发送和接收。

2.3 放大模块

声通信的放大模块包括声信号输出放大电路和声信号接收放大电路。同时声信号的采集过程中存在环境噪声的干扰，需要在放大完成之后加上带通滤波电路，以去掉环境噪声，得到系统所需要的声信号。

由于压电发声换能器（压电扬声器）的驱动要求有高压摆幅，而传感器节点基本都采用电池供电，因此需要采用必要的升压措施。设计中选择了升压型的D类放大器PAM8902。PAM8092还具有通过检查INP的输入信号大小来自动开启或停止与信号放大相关电路的功能，可很好地节省电池能量。

传感器节点间进行声通信的过程中，节点间的距离不定，换能器接收到的声信号比较微弱，需要对换能器转换得到的微弱电信号进行放大，以方便后期的数字信号处理和信号的解调。设计采用了两级放大，放大倍数接近1 000倍，第一级放大器选用AD623，放大倍数设为10倍，第二级选用放大器LM324，放大倍数设为100倍，根据实际测试结果，可以对放大倍数做进一步的调整。

2.4 电源管理模块

锂电池具有可重复充电、能量密度高、无记忆效应、放电平缓等优点，本设计使用3.7 V锂离子电池供电。电源管理模块是为了合理利用电能而设计的，根据传感器节点的工作状态，由处理器控制电源管理模块开启或关闭各个模块的电源，实现对电能的管理。节点在设计时处理器平时采用低功耗模式，射频模块采用掉电模式，直到有数据处理或收发时激活各个模块。

2.5 传感器节点其他模块

除了以上模块，传感器节点的硬件构成还包括无线通信模块、传感器模块和存储器模块。

节点中无线通信模块使用了单片收发且功耗低的nRF24L01芯片，它在2.4～2.5 GHz的世界通用ISM频段工作。该芯片还具有自动应答和自动重发功能，能减少处理器的工作量[6]。

传感器模块根据无线传感器网络的应用目的而具体选择。传感器模块将监测对象的物理信息转化为模拟电信号，经过放大调理后进行A/D转换得到数字信号，由处理器处理或存储到存储器。

处理器模块内部的存储器空间有限，为满足大量数据的存储，设计了存储器模块，选用存储空间为256 KB×16的SRAM芯片IS61LV51216。

3 软件设计

与声通信相关的ARM程序（C程序）和FPGA中控制逻辑部分（VHDL程序）的工作流程都是根据传感器节点的声通信实现原理设计的。图3为ARM程序的流程图，图4为FPGA控制逻辑部分的流程图。

3.1 ARM程序设计

ARM程序主要包括发送数据和接收数据两部分，是根据声通信的实现原理来设计的，具体的工作流程如图3所示。在程序的设计过程中充分考虑了传感器节点对电能的合理利用，仅在每次发送或接收数据时通过给电源管理模块发送开启协处理器模块和放大模块电源控制信息来接通协处理器模块和放大模块电源，而在发送或接收数据完成后又发送相关控制信息将这两个模块的电源关闭。

3.2 FPGA程序设计

FPGA的VHDL程序设计包括了控制逻辑部分、声信号调制部分、声信号解调部分、发送数据FIFO和接收数据FIFO等。控制逻辑部分的设计是与声通信相关的VHDL程序的核心控制部分，控制逻辑部分需要与ARM程序协调工作才能实现声通信。控制逻辑部分的流程图如图4所示，主要分为发送和接收数据两部分。通过接收ARM指令来实现接收数据或发送数据，包括准备发送数据指令、发送数据指令和接收数据指令3条指令。发送数据时根据工作流程控制声信号调制模块工作进行数据流的调制，声信号调制模块再发送数据到ARM的D/A模块；接收数据是声信号解调模块从ARM的A/D模块读取数据进行解调，再将解调的数据流送入控制逻辑。

4 系统测试结果与应用

对设计好的传感器节点进行两节点间的声通信测试。综合考虑压电换能器的频率响应特性及所处环境中空气的声信号特性，为达到较好的声通信效果，DPSK信号设定载波频率为2 940 Hz。

使用Matlab软件对两节点发出的声信号和接收的声信号数据进行分析比较并计算出误码率。为了更好地

测试出声通信的效果，测试在室内和室外两种不同环境中进行：(1)室内环境：大小为9.5 m×7 m×3.2 m的办公室，环境音量约50 dB；(2)室外环境：大小约为110 m×60 m的广场，环境音量约40 dB。表1为在不同的通信距离下两传感器节点之间的通信误码率。

从统计结果可以看出，在室外环境中声通信的质量要好于室内环境，这是由于室外环境噪音干扰相对没有室内严重。该测试表明短距离内该传感器节点的声通信具有较低的误码率，验证了短距离声通信在无线传感器网络中的可行性。同时从表1可以看出，传感器节点间声通信的距离还比较短，为增大传感器节点间声通信的距离，必须进一步优化节点硬件和软件的设计。

参考水下无线传感器网络的水声通信技术，提出了可用于无线传感器网络的短距离声通信方案。设计了一种具有短距离声通信功能的传感器节点并对其进行声通信测试。测试结果表明，短距离声通信在无线传感网络中具有一定的应用前景。

参考文献

[1] 汪丹丹.矿用无线传感器网络的研究与设计[D].合肥：合肥工业大学，2007.

[2] SHMULIK M G，GANNOT S，COHEN I.Distributed multiple constraints generalized sidelobe canceler for fully connected wireless acoustic sensor networks[J].IEEE Transactions on Audio Speech and Language Processing，2013，21(2)：343-356.

[3] 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.

[4] EDELMANN C F，ZAJIC A C.Feasibility study of under water acoustic communications between buried and bottom mounted sensor network nodes[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2013，38(1)：109-116.

[5] 李云娟，方彦君，谭涛.一种水下无线传感器网络节点设 计及其ARM实现[J].计算机自动测量与控制，2011，19(5)：1236-1238.

[6] 王宗，刘敬彪，蔡文郁.基于STM32的海洋浮标无线通信网络设计[J].电子技术应用，2011，37(7)：42-47.