一种有线传感器网络节点测距方法*

吴剑锋，李建清，王佚楠，于忠洲，毛志鹏

（东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京 210096）

0 引言

传感器网络通常可分为无线传感器网络（WSNs）和有线传感器网络［1～3］。现有的总线型有线传感器网络如热能抄表系统所采用的由欧盟开发的MBUS总线系统，应用于远程传感传输的HART总线系统和MAXIM（美信）公司开发的单总线传感器网络系统［4］等，具有超低功耗特点，可对几百米范围内的几百个节点进行低速远程通信和集中供电。单一传感器节点只能收集处于其所处位置的传感信息，而分布式的有线传感器网络、WSNs可以获取分布在一定区域内的信息，结合各个信息所对应的位置可以推导出未分布传感器位置的信息，因此，获得各个传感器节点的位置信息对节点间通信、基于传感器的测量和计算非常重要。定位技术可用于估计传感器节点的位置、一定范围内的移动目标跟踪和定位。前人较多的WSNs定位技术研究已可实现WSNs节点间相对位置的确定;目前有线传感器网络定位技术的研究较少［5］，相关测距技术的研究将使得有线传感器网络节点间相对位置被确定成为可能。

本文针对二线制总线型有线传感器网络，依据时域脉冲反射原理，对串联在总线上的主机与多个传感器节点间距离进行了测定，为有线传感器网络的节点定位提供了解决方法。

1 有线传感器网络系统构成

二线制总线型有线传感器网络系统通常由一个传感主机和若干传感器节点构成。为保证系统通信性能，通常要求通信主机和传感器节点间按手拉手方式连接，传感测距主机与若干传感器节点顺序分布于总线，如图1所示。

图1 总线型有线传感器网络Fig 1 Bus wired sensor networks

1.1 传感测距主机

传感测距主机以现场门级可控阵列EP3C10系列FPGA芯片为核心，外围包括发射驱动电路、高速比较器电路、信号调理电路、收发接口、通信接口和人机接口（图2）。传感测距主机通过通信接口可与远程计算机通信，通过人机接口可设定和调整相关控制参数，通过收发接口与双绞通信总线相连。传感测距主机的FPGA芯片外接50 MHz有源晶振，因测距精度与计数频率直接相关，为保证测距精度，采用FPGA内部锁相环将50 MHz提高用于测距计数。因节点测距方法中的反射波为负电平波，需给高速比较器提供一个负参考电压。

图2 传感测距主机Fig 2 Host with sensing and ranging function

1.2 传感器节点

传感器节点由主控制器模块和电源模块组成。传感器节点如图3（a）所示，主控制器模块连接于二线制总线之间，能够响应主机测距命令，控制主控制器内部电子开关的开启和闭合，使该传感器节点处的总线短接阻抗失配，以配合主机的时域脉冲反射。

主控制器模块由微处理器和可程控的电子开关组成。微处理器用来接收和处理主机命令，如果接收到的命令是要求与本传感器节点进行通信时，便立即做出相应的应答，响应主机发送的命令。电子开关是可程控的，可根据命令闭合开关，并能在一段时间后恢复断开。

对于已经成型的普通传感器节点，其内部不包括可程控的电子开关模块，可以通过增加可单独控制的电子开关模块，如图3（b）所示，只需改变相应的软件设置，也可实现所述的在线传感测距方法。

图3 传感器节点Fig 3 Sensor node

2 传感测距原理

根据传输线理论［6］，一条均匀、质量完好的电缆在每个点处的特性阻抗是相等的，当电磁波在处处阻抗特性匹配的无限长传输电缆传播时，电磁波会沿电缆一直传输下去，直到被电缆的特性阻抗完全吸收为止。在电磁波发射端不会发生反射现象，也不会有反射波出现。而当传输线发生短路、断路或其他原因故障导致传输线阻抗失配时，电磁波会在该阻抗失配点发生反射。那么，在传感器节点与总线连接处，人为有序地控制的传输线阻抗失配点产生和移除，就可利用电缆时域脉冲反射原理［7］测定传感器节点到传感主机的距离。

传感器节点响应主机端的测距命令并控制其电子开关电路短路，造成在电子开关连接总线处产生短路阻抗不匹配，其特征阻抗趋于0。此时，传感测距主机发一个高速脉冲，该脉冲沿总线电缆进行传输。由于总线电缆短路阻抗失配，高速脉冲在该处发生反射如图4（a），依据传输线理论反射信号电压与发射信号电压极性相反，幅度与失配系数相关;反射信号电流与入射信号电流极性相同，幅度与失配系数相关［7］。该反射波沿原路返回，传递到测距主机接收电路被检测。主机接收到的脉冲回波，先经过高速比较器，然后将信号取反，再将取反后的信号与发射信号进行异或处理，异或后的信号如图4（b）作为输入D触发器，D触发器的输出持续高电平作为高速计数器的使能信号如图4（c），由高速计数器测得发射脉冲和返回脉冲的时间间隔如图4（d），从而计算短路点位置，即计算出传感器节点的位置。参考电磁波在不同介质中的传播速度v，传感测距主机测得高速脉冲在该传输电缆往返时间t，利用式（1）计算出阻抗失配点到主机的距离进而确定相应传感器节点的位置

图4 短路回波信号示意图Fig 4 Short-circuit diagram of the echo signal

3 主机测距实现时序

传感测距主机和传感器节点间采用串行码流方式进行低速数据通信，通信协议参照Dallas公司的单总线协议［4］，每条命令字节包括8位数据位。保持数据线480～960 μs低电平表示命令开始，保持数据线60～120 μs的低电平表示逻辑0，保持数据线1～3 μs的低电平加后续60 μs高电平表示逻辑1。

数据通信时主机保持总线弱上拉，主机向总线写完8位的ID值后发出8位数据命令和校验字节，传感器节点将采样到的8位ID值与该传感器节点本身的ID值进行比较，如果相同，则执行后继命令动作，如果不同，则放弃此次通信等待主机再次发送初始化时序。主机发送完测距命令后进入测距功能。传感器节点接收到测距命令后将电子开关短路并保持40 μs。总线在传感器节点处相当于短路。进入测距功能，主机先保持总线弱上拉15 μs，而后移除弱上拉并强制保持总线低电平20 μs，其后向总线发送测距脉冲，并释放总线，此时总线在主机接入点处等效为断路。强制保持总线低电平可消除总线上噪声，便于保证测量精度。传感器节点在电子开关短路时间到后将电子开关断开释放总线。

图5是主机发送测距脉冲时序，虚线代表弱上拉将总线拉高，黑色粗实线表示总线低电平，细实线表示主机发送的测距脉冲。

图5 主机发送测距脉冲时序Fig 5 Time sequence of ranging pulse sent by host

4 实验结果

为验证该方法的可行性，以双绞线为总线连接测距主机与传感器节点进行实验。

主机FPGA芯片外接晶振50 MHz，受芯片性能限制，内部锁相环能最高倍频工作在350 MHz，因此，FPGA内部逻辑能进行高速计数，每个计数时间约为2.86 ns。

采用最长为9.25 m的双绞线进行测试，每次剪短0.1 m，每隔1 m重新校正一次双绞线长度。假定电磁波在聚乙烯类绝缘材质电缆中的传播速度为200×106m/s，采用传输线时域脉冲单次回波方法进行测定主机到传感器节点之间的距离，线性度实验测试结果如图6所示。

由图6可见，该测距方法具有良好的线性度，测量误差小于0.25 m。实验中还发现，在很短的连线（＜0.85 m）时测量结果异常，这是该测距方法的盲区。

图6 测距线性度实验结果Fig 6 Experimental results of ranging linearity

对不同连线进行了测距实验，大多数测试结果具有良好的重复性，但在测试临界点计数值有较多的±1波动，如图7为8.85 m长的双绞线重复性实验结果，这与空间噪声和计数频率都有关系。

图7 8.85 m重复性测距实验结果Fig 7 Results of repeat ranging experiments on 8.85 m line

采用单次回波方法对传感器节点测距误差小于0.25 m，如果要达到更高的有线测距精度，可考虑采用多次回波或更换能工作在更高频率的测距主机FPGA芯片，相关功能有待进一步验证。

5 结束语

在有线传感器网络系统中，本文采用主机端的FPGA产生高速测距脉冲信号，通过外围电路驱动后发射到二线制总线上，由被测距传感器节点按照预定命令主动设置传输线在连接点阻抗失配，高速测距脉冲信号在该处产生反射波反馈到总线上并被主机端通过高速比较器整形接收，通过测定发射脉冲和失配反射脉冲的时间差可实现总线主机到预定传感器节点间距离的测定。实验结果表明:以基于FPGA的测距主机与有线连接的传感器节点的测距方法简单便捷，速度快，测量结果准确。

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