无线传感器网络中使用超声测距和精确时间同步的毫米波运动检测外文翻译资料

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无线传感器网络中使用超声测距和精确时间同步的毫米波运动检测

Marc Caesar R. Talampas and Rosanno JC de Dios

仪器仪表，机器人和控制实验室

电气与电子工程学院，菲律宾奎松市立大学，菲律宾

marct@eee.upd.edu.ph, jc.dedios@ieee.org

摘要：在这项工作中，我们提出了一种无线传感器网络平台可以在一个控制环境中检测亚毫米精度的二维运动。这是通过使用全方位的超声波测距，互相关的超声波脉冲，传感器节点和精确的时间同步来实现。同步协议是基于IEEE 1588标准，并适于在无线传感器网络的实现。实验结果表明，该传感器节点可以有一个最坏情况是相对参考时钟下的同步误差为1。这使得该系统能够检测到亚毫米精度的运动，在初始距离的传感器节点之间的一米。

1. 引言：

高精度运动检测在许多应用中是有用的，其中之一是滑坡监测和预测。在一个斜坡的表面上的毫米范围内的小动作会在即将到来的滑坡之前发生。这种动作可能会发生在非常缓慢的速度。在[ 1 ]，运动的平均速率为5cm /天。长期观察这些毫米运动的表面是至关重要的一个滑坡事件的正确特征。

无线传感器网络（WSNS）是设计来感应在高空间分辨率和覆盖长周期时间的物理现象。因此，它们非常适合用在开发滑坡长期监测。然而，大多数的测距和定位传感器网络没有达到滑坡缓慢变化检测所要求的精度和分辨率[2,3,4]。

估计超声波飞行时间是首选的测距方法，因为其实现高测量精度的可能性比使用无线电RSSI [ 4 ]更准确，而且比使用GPS接收机在每个节点更有效和节能。在无线传感器网络中使用超声波测距挑战之一是如何准确地估计的超声波脉冲的传输起点。一种方法是采用两事件的到达时间差（TDOA）提供了一个良好的飞行时间估计。在[ 5 ]中，红外信号的接收和一个超声波脉冲之间时间差被用于计算传感器节点之间的距离。然而，虽然所需的距离测量精度达到，他们的系统遭受视线问题，因此不切实际的使用在大规模的无线传感器网络部署。另一方面，利用接受的无线电信息和超声波脉冲之间的时间差所受到不确定性延迟是由于渠道的争夺和调制/解调次数[6,7,8]。这些延迟是微秒的范围和影响测距精度。

本文提出了一种可以检测毫米范围内的距离变化的无线传感器网络的发展。为了实现这一目标的准确性，无线传感器网络节点的精确时间同步是用来代替时差。这允许更好地估计超声波飞行时间，从而提高精度。时间同步也使网络协调。传感器节点被分配的时隙时，它们可以发送和预测的超声波脉冲，从而避免碰撞。

本文第二节讨论的方法和发展系统的测试结果。第三节提出结论和为今后工作的建议。

2.方法和测试结果

在无线传感器网络中的共同定位系统使用超声波测距的方法是由于它相比于其他已知的技术的低复杂度和高精度。然而，目前的实现不达到毫米的精度。这主要是由于在测量飞行时间的超声波脉冲的技术：射频信号表明在无线电传输中超声波传输的开始引入时间的不确定性和基于阈值的超声波接收是不可靠的，因为超声波衰减。这项工作解决了这些问题是通过采用互相关和基于IEEE 1588时间同步实现更准确的飞行时间测量。

A.传感器节点设计

传感器节点的框图如图1所示。传感器节点的主控制器是由德克萨斯仪器的CC2530片上系统。用于超声波信号的传输和接收的一个单一的换能器。在发送和接收模式切换是由CC2530控制的固态继电器促进的。一个全桥推拉放大器是用来驱动换能器的传输模式。在接收模式中，接收到的超声波信号被一个可编程的增益仪表放大器放大。放大器的输出被送入可数字化超声信号的模数控制器。

该传感器配有一个金属锥，如用于在[ 9 ]，允许在一个单一的平面上的超声波信号的全方位传输。定制的传感器节点的照片如图2所示。

B.超声波测距

在后续文本中概述了距离测量的过程。在一个双传感器节点网络的情况下，用于简单。

图1.传感器节点的方框图

图2.构建传感器节点

1.节点同步它们互相之间的本地时间通过使用时间同步协议。

2.一旦节点是同步的，它们等待的时间相同。

4.发射机发出的超声波脉冲。接收机取样所发射的超声波脉冲。

5.接收器交叉相关带有基线样本的接收脉冲是在网络初始化时建立的。

6.在基线样品和电流样本之间飞行时间的差异是通过记录的时间间隔，转换互相关结果获得的。

7.两传感器节点之间的距离的变化Delta;L采用了飞行时间的差值Delta;T计算，图3中进一步说明了这个过程。如果在发射机和接收机节点之间的距离上没有变化，互相关函数的峰值将出现在零时间间隔，如图4a所示。RX和TX节点之间的互相关结果发生了改变，在图4b所示。

在TX和RX之间的距离的实际变化可计算如下： （1）

Sw是延迟量，Vsound是声音在空气中声音的速度，fS是模数转换器的采样率。

给定一个采样率在1.78MHz和空气中声音的速度在35°C是351.961m/s。我们可以用（1）求Sw，即对应于距离1mm内的变化。分析在给定的值，我们到达Sw= 5，这意味着每5单位的延迟对应距离1mm的变化。

图3.超声波测距传感器节点

图4.交叉相关的结果

其中（a）在距离上没有变化和（b）在距离上发生变化

C.时间同步

该系统的精度也取决于不同的传感器节点之间的时间同步。为了实现精确的时间同步，执行时间在网络协议的较低层是必要的。使用高频率稳定晶体也提高了时间同步结果。时间同步协议必须能够保持网络同步误差最多在1us从而保持亚毫米精度的传感器距离测量范围内。举例说明，假设我们要保持在∆aplusmn;0.5mm的精度，假设声音在空气中的速度可能会有所不同从343.289米/秒至351.962米/秒，这取决于温度。通过操纵∆d= v∆T，我们得到∆T = 1.456到1.421mu;。增加安全边际，我们设置∆t = 1mu;这意味着传感器节点使用32MHz时钟，最大的时钟之间的偏移误差必须32次。

时间同步协议在本系统中使用的是修改后的IEEE 1588精密时间协议标准版。IEEE 1588只校正偏移误差和，并且假设时钟偏移漂移是可以忽略的，因为它是专为使用低漂移晶体振荡器装置。这种振荡器更昂贵和使用低成本、低功耗的传感器节点不切实际。图5描述了遇到的问题，利用不精确的晶体振荡器的设备使用IEEE 1588标准。即使使用IEEE 1588协议的同步节点，一个引人注目的时钟误差仍然存在。此错误是由于每个单独的时钟的漂移率。此问题的解决方案是通过发送另一个同步数据包，允许系统来计算的漂移和补偿。通过也补偿时钟之间的漂移，实现了改进的时间同步。图6和图7说明了这个过程。

图8所示是用于测试传感器节点之间的时间同步的测试设置。主和从节点使用外部脉冲电路的输出作为一个信号来发送他们的电流时钟值的分析仪。主机和从节点时钟值记录每2秒记录。传感器节点执行时间同步每秒10次。图9显示了从测试运行记录中记录的时钟偏移值的分布。本实验记录平均误差为80.625ns和标准偏差129.82ns。即使作者采用40ppm频率容限的晶体振荡器，系统仍然能够实现的平均误差小于1mu;S。

图5.同步时间后的偏移误差仍然使用IEEE 1588

图6.基于IEEE 1588时间同步

图7.补偿后的时钟漂移误差进一步减小

图8.时间同步测试设置

图9.时间同步测试结果显示时钟偏移误差小于32时钟或1秒

图10.量程测试设置

D.范围测试

图10所示的设置是用来验证系统是否可以从1开始检测传感器节点之间的距离1mm的动作。一个传感器节点是固定在三角上，而其他传感器节点连接到一台数控机床在毫米级精度的运动。

TX和RX节点之间的距离以每1mm的增长改变，并且每增加1mm测量三十次。图11所示从范围测试所获得的结果。从图中可以看出，所有的距离的变化在亚毫米精度下测量。其各自分布的峰与图的上半部分表示的延迟值重合。可以看出，理想和实际测量的延迟值不超过5的差异（对应于距离1mm的变化）。

图11.测试结果

3.结论

在这项工作中，作者开发了一种无线传感器网络平台，通过使用超声波测距和精确的时间同步可以检测到毫米运动。时间同步结果显示，在网络中的平均同步误差为1。这使得节点能够准确启动采样的脉冲超声波相对于校准脉冲的相关峰的计算。在受控环境中，这些相关峰可以映射到实际的距离移动，使用数控机床作为精确的运动参考。测试结果表明，距离的变化可以在亚毫米的精度上测量。

参考文献

[ 1 ] T. fukuzono，“关东壤土蠕变模型及其应用于滑坡时间预测”的滑坡，J. Chacon，C.伊利格瑞和T.费尔南德兹，主编，1996，pp.三维。

[ 2 ] n.皮里严达，A. Chakraborty和H.维文，”蟋蟀定位支持系统”，在第六届国际会议上的移动计算和网络程序，2000，pp. 32-43。

[ 3 ] Y.福寿，M.南，H. Morikawa和T.青山，“海豚：一个自治的室内定位系统在普适计算环境中，“未来嵌入式系统软件技术，2003。车间，卷，号，页53 - 56，可2003 15-16

[ 4 ]撒来，J.，巴洛格，G.，海南大风子，M.，Ledeczi，A.声波测距在资源受限的传感器网络。技术报告，isis-04504，2004年2月25日

[ 5 ]迪亚兹，“超声波检测系统蠕变滑坡监测”，硕士论文，菲律宾国立大学，菲律宾，2008。

[ 6 ]埃尔森，L.吉罗德，D.雌激素、“细粒度的网络时间同步使用参考广播”，在第五研讨会上的操作系统的设计与实现，2002，pp. 147-163。

[ 7 ]美国ganeriwal，R.库马尔和M.塔瓦，传感器网络时间同步协议，在第一届国际嵌入式网络传感器系统，2003个程序，138-149页。

[ 8 ] M.海南大风子，B.库思，G.西蒙和A. Ledeczi，“淹水时间同步协议”，在第二的嵌入式网络传感器系统国际会议论文集，2004，pp. 39-49。

[ 9 ] F.瓦德，J.比森，F. Michaud和D.莱图尔诺，“多机器人系统的相对定位，“机器人与自动化，2008。ICRA 2008。IEEE国际会议上，卷，编号，pp.323-328，2008可能19-23。

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