一種頻譜監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅 麗，高 飛，邢傳璽，王 霞,2

(1.云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,云南 昆明 650500;2.云南大學(xué) 信息學(xué)院,云南 昆明 650500)

頻譜資源是一種有限的、共享的國家戰(zhàn)略性資源.不斷提高無線電頻譜監(jiān)測的有效性、準(zhǔn)確性一直是無線電領(lǐng)域重要的研究內(nèi)容[1-3].隨著無線電技術(shù)的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，調(diào)頻廣播已廣泛應(yīng)用在人們的生活中.而不明電臺干擾合法無線電設(shè)備間正常通信、影響人民群眾收聽廣播的現(xiàn)象時常發(fā)生，因此對非法廣播電臺播出信號進(jìn)行監(jiān)測的任務(wù)艱巨而迫切.

現(xiàn)有的頻譜監(jiān)測設(shè)備除小型固定基站以外，還有移動監(jiān)測站和便攜式監(jiān)測設(shè)備.固定基站的監(jiān)測能力強(qiáng)，監(jiān)測的頻段范圍較廣，但成本高，靈活性差.移動監(jiān)測站采用車載方式，攜帶設(shè)備較多.便攜式監(jiān)測設(shè)備體積較大，設(shè)備維護(hù)困難.且上述設(shè)備間無法進(jìn)行通信，對特殊區(qū)域難以實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測.WSN(wireless sensor Network，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、隧道監(jiān)測、醫(yī)療健康遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域[4-7].WSN具有的成本低廉、易于野外布置、能耗小等特點(diǎn)，使得它有可能成為現(xiàn)有地面無線電頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的1種有效補(bǔ)充.文獻(xiàn)[8]采用了認(rèn)知無線電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來解決復(fù)雜電磁環(huán)境中的通信問題，以提高頻譜的利用率.作者還提出了應(yīng)選用帶有內(nèi)置存儲器、具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的CC2420作為控制器，以減少硬件體積和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性.毛九平等[9]采用STM32F103單片機(jī)設(shè)計(jì)了1種超短波無線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可減少電臺間的數(shù)據(jù)碰撞和同頻干擾.但節(jié)點(diǎn)攜帶的元器件多且采用太陽能供電，具有一定的局限性.文獻(xiàn)[10]提出了1種WSN寬頻帶監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案采用STM32+FPGA嵌入式系統(tǒng)作為頻譜感知節(jié)點(diǎn)的處理器，選用CC3510作為無線收發(fā)模塊.該節(jié)點(diǎn)能完成對數(shù)據(jù)的融合處理、判決和傳輸?shù)炔僮?

由于目前使用WSN僅對廣播電臺頻段進(jìn)行監(jiān)測的設(shè)備較少，因此針對FM信號頻譜監(jiān)測的需求，以及設(shè)備間無法通信的問題提出了1種解決方案.該方案綜合考慮了小型化、低成本等因素，設(shè)計(jì)并制作完成了1種可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信和無線傳輸數(shù)據(jù)的頻譜監(jiān)測節(jié)點(diǎn).但節(jié)點(diǎn)采集的FM信號受環(huán)境因素影響較大、峰值信號較多，因此方案采用可提取多峰信號峰值點(diǎn)的斐波那契優(yōu)化算法[11]對采集到的數(shù)據(jù)提取有效峰值，以達(dá)到快速、準(zhǔn)確找到有效信號的目的.

1 頻譜監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的整體設(shè)計(jì)原理

為實(shí)現(xiàn)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的形式監(jiān)測FM信號，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸和峰值信號的有效提取，本文提出了一種低成本、輕量化的頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.方案的整體設(shè)計(jì)包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集和傳輸算法、信號提取算法以及節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng).其中系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括FM信號接收、控制器、RF(radio frequency，射頻)收發(fā)及電源管理4個模塊.根據(jù)《中華人民共和國米波調(diào)頻廣播技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，我國FM信號的頻段范圍為(87～108)MHz[12].因此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中FM信號接收模塊需完成對頻段范圍為(87～108)MHz的FM信號采集，控制器模塊實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理以及監(jiān)測節(jié)點(diǎn)間的組網(wǎng)通信，RF收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的無線傳輸，電源管理模塊為上述模塊進(jìn)行供電.頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如圖1所示.

圖1中，使用仿真器下載數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)通信以及數(shù)據(jù)傳輸程序進(jìn)入監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的控制器，然后利用電源管理模塊對各模塊進(jìn)行供電.當(dāng)協(xié)調(diào)器成功建立網(wǎng)絡(luò)后，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過搜索發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求與協(xié)調(diào)器建立一個簡單的星型網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間距離約為 10 m.組網(wǎng)成功后，節(jié)點(diǎn)利用FM信號接收模塊采集FM信號，使用控制器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，然后通過RF收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)以無線傳輸方式轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器.協(xié)調(diào)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理后將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控終端，終端對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效信號的提取并將提取結(jié)果告知用戶，最終實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的FM信號監(jiān)測.

2 頻譜監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對FM信號的采集以及設(shè)備的低成本、小型化，F(xiàn)M信號接收模塊采用飛利浦公司的TEA5767模塊.該模塊信號處理過程簡單、接收的調(diào)頻信號頻段范圍為76MHz～108MHz，可實(shí)現(xiàn)射頻信號強(qiáng)度ADC輸出功能，ADC輸出值范圍為0～15.具有高靈敏度、高信噪比、支持FM信號轉(zhuǎn)錄等特點(diǎn).滿足監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的需求.

為實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的無線傳輸和設(shè)備間的組網(wǎng)通信，控制器模塊采用德州儀器(TI)公司的ZigBee模塊，主要由底板和核心板兩部分組成.由于CC2530芯片是一款兼容8051內(nèi)核，具有體積小、成本低、組網(wǎng)成功后受外界環(huán)境因素影響較小等特點(diǎn).因此系統(tǒng)選用CC2530芯片作為核心板處理器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的組網(wǎng)通信.底板主要包括串口、晶振、5V和3.3V電源等接口.RF收發(fā)模塊則由CC2530芯片的射頻收發(fā)器與其他外圍電路組成.電源模塊采用電池或適配器的供電方式.

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括FM信號的采集、傳輸以及節(jié)點(diǎn)間的組網(wǎng)2個部分.當(dāng)協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)之間組網(wǎng)成功后，ZigBee模塊讀取TEA5767模塊采集的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給協(xié)調(diào)器，最后協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)FM信號的全面監(jiān)測.

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與讀取

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集并讀取FM信號的過程為：CC2530芯片通過總線方式向TEA5767模塊寫入初始數(shù)據(jù)87 545 kHz.然后TEA5767模塊以49 kHz的步進(jìn)頻率向上采集頻率信息即頻率和輸出電平值.每采集到1個頻率信息，CC2530芯片就通過總線讀取1個頻率信息.當(dāng)采集的數(shù)據(jù)大于最高頻率(108 000 kHz)時，算法結(jié)束.

2.2.2 節(jié)點(diǎn)間的組網(wǎng)通信

由于實(shí)際監(jiān)測區(qū)域范圍廣，節(jié)點(diǎn)的能量有限，若只使用單個節(jié)點(diǎn)對區(qū)域內(nèi)的信號進(jìn)行采集，將不能實(shí)現(xiàn)對區(qū)域的全面監(jiān)測，并且當(dāng)該節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或沒電時，該區(qū)域的數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)丟失情況，故本文通過組網(wǎng)通信的方式確保接收數(shù)據(jù)的全面性.

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)過程為：首先選擇一個ZigBee模塊當(dāng)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器開始向各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)廣播消息，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)接收到信號后向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求，協(xié)調(diào)器接收到請求后為各節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，然后節(jié)點(diǎn)開始采集并無線傳輸數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行平均處理，再將處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控終端，最后終端對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號提取.組網(wǎng)的流程圖如圖2 所示.

3 數(shù)據(jù)處理

在實(shí)際情況中，信號在傳播過程中易受外界環(huán)境干擾，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)每一輪采集到的信號特征具有不一致性，且峰值數(shù)較多.為實(shí)現(xiàn)對有效信號峰值點(diǎn)的提取，終端采用斐波那契優(yōu)化算法[11]對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.該算法可通過按比例壓縮搜索區(qū)間來處理二維數(shù)據(jù)，在尋找并確定最優(yōu)解方面具有明顯優(yōu)勢.經(jīng)過多次測試驗(yàn)證了，使用斐波那契優(yōu)化算法處理節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)不僅能夠一次性獲得多峰信號的峰值點(diǎn)，而且提取的準(zhǔn)確度較高.算法流程如圖3所示.

圖中Xb1為取遍集合Sj={(fm,rm)|m=[1,j],j=417}的所有點(diǎn)，Xb2表示除最優(yōu)解以外的集合中的其他點(diǎn).其中f為頻率，r為該頻率的電平相對強(qiáng)度，參數(shù)j的取值由式(1)可得：

(1)

其中fmax為最高頻率(108 000 kHz)，fmin為最低頻率(875 45 kHz)，fstep為步進(jìn)頻率(49 kHz)，代入式(1)可得j的取值應(yīng)為417.

4 測試結(jié)果與分析

4.1 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證信號提取算法的有效性，本文使用自制節(jié)點(diǎn)與安捷倫便攜式頻譜儀(N9340B)同時采集多次(87～108)MHz 的FM信號.測試地點(diǎn)分別為約 20 m 高的室內(nèi)、建筑密集區(qū)以及地勢較低的空曠區(qū)，數(shù)據(jù)采集時間均為 1 h.

測試使用監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在每個區(qū)域采集一個小時的數(shù)據(jù)，終端接收數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行平均處理，然后使用斐波那契優(yōu)化算法對處理后的數(shù)據(jù)提取峰值信號，最后計(jì)算提取結(jié)果與頻譜儀標(biāo)記的有效信號的相對誤差.圖4所示分別為頻譜儀與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)、建筑密集區(qū)和空曠區(qū)采集的數(shù)據(jù)求平均后的數(shù)據(jù)波形.由節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)可知TEA5767芯片具有對射頻信號強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)ADC輸出的功能，因此監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)波形的橫坐標(biāo)為頻率(kHz)，縱坐標(biāo)為輸出電平值(無單位).圖中三角形為頻譜儀標(biāo)記的有效信號，星號部分為監(jiān)測終端處理的結(jié)果.表1、表2和表3分別為3個區(qū)域中頻譜儀標(biāo)記的結(jié)果和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)處理的結(jié)果，以及兩者之間的頻率相對誤差值.

安捷倫頻譜儀 無線電頻譜監(jiān)測節(jié)點(diǎn) 頻率/Hz功率值/dBm頻率/kHz輸出電平值兩者的頻率相對誤差/%88658695.65-81.338874814.910.1091778260.87-78.259186914.970.1096992391.30-82.289707913.350.0997972826.09-87.149806214.270.0999978260.87-84.35100061150.08103677173.90-97.7710373910.950.06105771739.10-80.52105828150.05

注：以頻譜儀測試的頻率為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算頻率相對誤差.

表2 建筑物多的區(qū)域處理的數(shù)據(jù)及結(jié)果的相對誤差

注：以頻譜儀測試的頻率為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算頻率相對誤差.

表3 空曠區(qū)域處理的數(shù)據(jù)及結(jié)果相對誤差

注：以頻譜儀測試的頻率為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算頻率相對誤差.

由圖4可知，相對于安捷倫頻譜儀采集的數(shù)據(jù)波形，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)受噪聲干擾較大，產(chǎn)生的信號峰值較多.但本文使用的斐波那契優(yōu)化算法對節(jié)點(diǎn)在這3個區(qū)域采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，均能在各個區(qū)域提取到7個有效信號，與安捷倫頻譜儀標(biāo)記的個數(shù)相同.從表1～3可看出，使用斐波那契優(yōu)化算法處理的結(jié)果和頻譜儀標(biāo)記的結(jié)果的相對誤差均在0.05%～0.10%范圍內(nèi).由此驗(yàn)證了本文使用的斐波那契優(yōu)化算法對二維、峰值信號較多的數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的尋優(yōu)能力和較高的準(zhǔn)確性.

4.2 組網(wǎng)結(jié)果與分析

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的組網(wǎng)通信，本文使用3個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與1個協(xié)調(diào)器進(jìn)行組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器端與電腦端采用串口方式進(jìn)行通信.圖5所示為在室外進(jìn)行組網(wǎng)測驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)間距離約為 10 m.測試可通過判斷協(xié)調(diào)器端D3燈亮滅情況來判斷節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)是否成功.若D3燈滅表示組網(wǎng)成功；反之則失敗.

為了驗(yàn)證組網(wǎng)通信的可靠性，本文使用單個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、多個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)和安捷倫便攜式頻譜儀(N9340B)同時采集1次(87～108)MHz 的FM信號.圖6所示分別為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與頻譜儀在同一時間段采集的數(shù)據(jù)波形.由圖2可知，節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)通信成功后，協(xié)調(diào)器對接收來自多個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，因此圖6中多個節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)波形為經(jīng)過平均處理后所得到的，黑色星號部分為終端使用斐波那契優(yōu)化算法提取的峰值信號，三角形部分為頻譜儀標(biāo)記的有效信號.表4為監(jiān)控終端對單個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與多個節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果，以及安捷倫頻譜儀標(biāo)記的有效信號.

表4 監(jiān)控終端處理的數(shù)據(jù)結(jié)果與頻譜儀標(biāo)記的信號

從圖5中可看出，當(dāng)電源模塊對協(xié)調(diào)器和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)1、2、3進(jìn)行供電后，協(xié)調(diào)器開始建立網(wǎng)絡(luò)，D3燈滅表示3個節(jié)點(diǎn)已成功加入網(wǎng)絡(luò).圖6所示中，協(xié)調(diào)器對多個節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信后采集的數(shù)據(jù)平均化處理后受環(huán)境噪聲影響比單個節(jié)點(diǎn)采集一輪的數(shù)據(jù)受環(huán)境噪聲影響小.表4中，使用斐波那契優(yōu)化算法對協(xié)調(diào)器處理的結(jié)果進(jìn)行提取的信號數(shù)量與安捷倫頻譜儀標(biāo)記的數(shù)量相同，均為5個.而單個節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)受噪聲影響較大，使用斐波那契優(yōu)化算法對其進(jìn)行提取的信號數(shù)量明顯多于多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信后提取的結(jié)果.因此結(jié)合圖6和表4可看出，監(jiān)控終端對單個節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值信號的提取數(shù)量較多，提取的結(jié)果不理想.對多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提取的峰值數(shù)量與頻譜儀標(biāo)記個數(shù)相同，提取的結(jié)果較為理想，由此驗(yàn)證了多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的可靠性.

5 結(jié)語

本工作設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種輕量化、低成本、準(zhǔn)確度高的無線電頻譜監(jiān)測(FM)方案.監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用具有FM信號轉(zhuǎn)錄功能的TEA5767模塊實(shí)現(xiàn)對FM信號的采集；采用體積小、存儲量大、具有RF收發(fā)功能的CC2530芯片作為控制器，實(shí)現(xiàn)空間頻譜數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理以及節(jié)點(diǎn)間的組網(wǎng)通信.測試結(jié)果表明，本方案設(shè)計(jì)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對FM信號的采集，驗(yàn)證了方案所采用的算法具有有效性，還驗(yàn)證了多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信不僅可以無線傳輸數(shù)據(jù)，還能提高信號提取的效果，為WSN應(yīng)用于頻譜監(jiān)測提供了一種有效的技術(shù)方法.下一步將實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)融合處理，以增加其使用壽命.