黃孝平

(南寧學(xué)院機(jī)電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院，廣西 南寧530200)

0 引 言

近些年，分布式信號(hào)處理系統(tǒng)、Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)以及并行計(jì)算的發(fā)展，使得小型化分布式的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)［1-2］(WSN)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。另一方面，雖然分布式的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在電源供應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了深入研究，但是其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量［3］(QoS)仍然有較大的改進(jìn)空間，如對(duì)數(shù)據(jù)采集精度、采集覆蓋率以及采集系統(tǒng)的延遲時(shí)間等都有更高的要求。

艦船雷達(dá)是其航海重要輔助設(shè)備，其信號(hào)采集的及時(shí)性、準(zhǔn)確性、高精度性直接關(guān)系到船艦的位置測(cè)定、運(yùn)行中的碰撞、海面浮標(biāo)的觀測(cè)、以及與岸線的方位和距離等一系列目標(biāo)參數(shù)，同時(shí)船艦數(shù)量的增加以及海面復(fù)雜多變的氣候，更迫切的需要獲知船艦周邊的障礙物信息［4-5］以及當(dāng)前的氣候條件。所以，對(duì)船艦雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集成為航海安全的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集的實(shí)效性以及精確性也是船艦避免碰撞自動(dòng)化系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。

本文在分析了航海雷達(dá)數(shù)據(jù)特性以及最新的無(wú)線傳感器組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的組網(wǎng)方式以及采集匯聚算法，并基于DSP 芯片設(shè)計(jì)了嵌入式航海雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最后通過仿真，證明了該傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)方式以及對(duì)應(yīng)的算法滿足雷達(dá)數(shù)據(jù)采集對(duì)實(shí)時(shí)性要求。

1 雷達(dá)數(shù)據(jù)采集整體系統(tǒng)

1.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)采集原理

一個(gè)完整的雷達(dá)數(shù)據(jù)采樣經(jīng)過高頻采樣、量化、編碼、A/D 轉(zhuǎn)換最終經(jīng)由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸。

式(1)是雷達(dá)數(shù)據(jù)采樣最常用的平頂采樣［6］，其中采樣脈沖寬度為τ，H(w)為采樣濾波器的頻域卷積值。經(jīng)過式(1)采樣后數(shù)值雖然在時(shí)間序列上是離散，但是在幅值上還是連續(xù)的，通過式(2)進(jìn)行映射:

1)量化后信號(hào)與噪聲比和參數(shù)N (量化間隔數(shù))的平方成正比。

2)使用式(2)的過程中，通過信號(hào)的幅度范圍以及信噪比參數(shù)確定N的選擇。

3)當(dāng)量化參數(shù)N 確定后，隨著信號(hào)幅值的降低，對(duì)應(yīng)的信噪比惡化與量化精度的降低。

量化后需要對(duì)其進(jìn)行編碼，本文使用雙極性編碼，公式如下:

其中vout為對(duì)應(yīng)的量化信號(hào)an編碼后的輸出，最后經(jīng)過雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換器得到最后幅度與時(shí)序的離散信號(hào)，雙擊分形A/D 轉(zhuǎn)換器原理如圖1所示。

圖1 A/D 轉(zhuǎn)換器模擬圖(雙積分型)Fig.1 Structure of A/D (double integral)

雙擊分A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行2 次積分，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制控制的數(shù)字信號(hào)。雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換器具有輸出信號(hào)精度高、且有較強(qiáng)的抗噪聲性能，由于本文海面噪聲、氣候條件、以及反射折射等干擾，所以選用此類型A/D 轉(zhuǎn)換器。

1.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收從船艦信息控制中心發(fā)送的控制信息，并根據(jù)此信息按照不同的方式讀取傳感器經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，并最終將所有信息發(fā)送到信息控制中心，整個(gè)船艦控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 船艦信號(hào)采集控制總系統(tǒng)Fig.2 Ship data acquisition and control system

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是信息控制融合中心數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確信息的關(guān)鍵性所在，數(shù)據(jù)采集的精度以及傳輸性能決定了整個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)船艦的指揮速度與準(zhǔn)確性。

2 基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)的匯聚算法

2.1 線性WSN 網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

線性WSN 網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抽象圖如圖3所示。

圖3 單節(jié)點(diǎn)WSN數(shù)據(jù)采集邏輯圖Fig.3 Logic diagram of WSN data acquisition based on single node

1)假設(shè)現(xiàn)在有2 組艦艇，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，信息控制中心與2 組艦隊(duì)等距離，并且2 組艦隊(duì)船艦數(shù)量相等，設(shè)都為N，每個(gè)艦船間距為30 m，則整個(gè)艦隊(duì)的信息控制網(wǎng)絡(luò)的總長(zhǎng)度為60 km。

2)2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)組成一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)(Ad hoc)。傳輸協(xié)議使用通用的801.11 協(xié)議族。

3)數(shù)據(jù)采樣使用式(1)中的平頂采樣，經(jīng)過量化后使用雙極性編碼方式，最終同樣采用雙極性A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為離散數(shù)字型號(hào)。

4)2 組船艦中每4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一簇。

5)整個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為接收傳感器數(shù)據(jù)前的控制階段、接收傳感器數(shù)據(jù)采集階段以及采樣后傳輸階段。

6)在控制階段，采集系統(tǒng)根據(jù)信息中心發(fā)送給控制系統(tǒng)中的控制位進(jìn)行初始化。在第2 階段，每組船艦的每個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一定長(zhǎng)度頭部傳控信息(8 kb)，在經(jīng)由匯總節(jié)點(diǎn)組成簇?cái)?shù)據(jù)，并分別傳送各自的控制系統(tǒng)。

2.2 采集系統(tǒng)初始階段

在本系統(tǒng)中，采集系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)前，需要先接收控制系統(tǒng)發(fā)送的控制信息進(jìn)行初始化，其目的在于節(jié)點(diǎn)之間的干擾信息以及用于對(duì)前采集數(shù)據(jù)的反饋，接收控制信息的初始化模型如圖4所示。

圖4 匯聚算法初始化及自檢邏輯圖Fig.4 Logic diagram of initialization stage of data aggregating algorithm

匯總節(jié)點(diǎn)A 持續(xù)接收控制系統(tǒng)發(fā)送的控制探測(cè)幀(BPF)，此后開始根據(jù)控制信息選擇接收相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集信息，直到接收到最遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的反饋幀。其中控制幀(BPF)攜帶了選取節(jié)點(diǎn)的簇號(hào)，允許的最大節(jié)點(diǎn)ID和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)CN 號(hào)。

之后，匯總節(jié)點(diǎn)以一定的數(shù)據(jù)格式，如遞推方式對(duì)節(jié)點(diǎn)ID，CN 以及簇號(hào)依次進(jìn)行計(jì)算，并記錄下此刻接收節(jié)點(diǎn)的功率等級(jí)，直至達(dá)到規(guī)定的最大等級(jí)數(shù)。

本系統(tǒng)采用了對(duì)節(jié)點(diǎn)ID 進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的方式，這樣有效的降低了信號(hào)發(fā)射器的耗能量，下面講述基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)匯聚算法的數(shù)據(jù)采集階段。

2.3 匯聚算法的數(shù)據(jù)采集階段

系統(tǒng)初始化階段完成后，進(jìn)入到接收雷達(dá)信號(hào)的采集階段，這一階段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 匯聚算法數(shù)據(jù)采集階段邏輯圖Fig.5 Logic diagram of data acquisition stage of data aggregating algorithm

本系統(tǒng)中，我們假設(shè)一簇包含4個(gè)節(jié)點(diǎn)，則一組艦隊(duì)簇的數(shù)量為M=N/4 ，N 為一族艦隊(duì)總的節(jié)點(diǎn)數(shù)。則可以推算第j 簇中所包含的4個(gè)節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)為:ID=(j－1)×4+1～j ×4，j=1，2，3…M。

下面介紹給出匯聚算法數(shù)據(jù)采集階段的詳細(xì)方案，步驟如下:

1)每一簇中的各節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)整體，同一時(shí)刻采樣自身的有效數(shù)據(jù)幀。

2)匯總節(jié)點(diǎn)收到有效數(shù)據(jù)幀時(shí)，判斷它們的簇序號(hào)CN 是否相同，若相同，并且節(jié)點(diǎn)ID 號(hào)相匹配，則匯總節(jié)點(diǎn)反饋給控制系統(tǒng)采樣信號(hào)正確，否則對(duì)接收信息過濾處理。

3)對(duì)于簇中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，收到匯總節(jié)點(diǎn)反饋的信號(hào)匯聚簇信息，解析其中的控制信號(hào)量，以便在控制下一次數(shù)據(jù)匯聚幀信息。

4)關(guān)于針對(duì)節(jié)點(diǎn)的糾錯(cuò)處理，對(duì)簇號(hào)為j 中的各節(jié)點(diǎn)ID=(j－1)×4+1～j ×4，j=1，2，3…M 在沒有接收到同一個(gè)簇號(hào)中比自身ID 大的相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的匯聚糾錯(cuò)幀信息時(shí)，啟動(dòng)自身定時(shí)器Time。在定時(shí)器有效時(shí)間內(nèi)，如果還沒接收到，則標(biāo)記自身節(jié)點(diǎn)實(shí)效。

本采集系統(tǒng)的控制信息不在針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的單節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，而是對(duì)艦隊(duì)進(jìn)行編號(hào)，并進(jìn)行分簇處理，上述步驟可以推測(cè)，在同一簇中的艦隊(duì)，只要其中2個(gè)或以上雷達(dá)數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)成功接收，即不影響整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度，有效的增加了系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力。

3 基于DSP的嵌入式系統(tǒng)及仿真分析

3.1 DSP 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)基于型號(hào)為TMS320VC5402DSP 作為采集系統(tǒng)的核心處理器以及信號(hào)控制器，系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換器采用低噪聲源模數(shù)轉(zhuǎn)換，型號(hào)為A/D380，采用雙極性四階差分調(diào)制器轉(zhuǎn)換模擬脈沖信號(hào)。通過DSP的數(shù)據(jù)采集信號(hào)經(jīng)過串口接發(fā)起(異步)16D340 進(jìn)行處理的接收發(fā)送，整個(gè)嵌入式仿真圖如圖6所示。

圖6 基于DSP的嵌入式仿真系統(tǒng)Fig.6 Embedded simulation system based on DSP

由圖6 可知，A/D 轉(zhuǎn)換器以及DSP 對(duì)數(shù)字信號(hào)的采樣處理是針對(duì)整個(gè)簇匯聚信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，有效降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。3.2 節(jié)將設(shè)置一定的簇?cái)?shù)以及每個(gè)簇中節(jié)點(diǎn)數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

3.2 仿真結(jié)果及分析

用于仿真的參數(shù)如表1所示，并且對(duì)參數(shù)的設(shè)置滿足無(wú)線傳輸模型［7-8］。表中衰落參數(shù)Ω 是此仿真模型相對(duì)節(jié)點(diǎn)距離的衰減，其滿足標(biāo)準(zhǔn)方差方程。

表1 仿真參數(shù)的設(shè)置Tab.1 Simulation parameters

系統(tǒng)設(shè)置每簇4個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)匯總節(jié)點(diǎn)所用時(shí)間為t。通過無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)衰落的傳輸速率為R。則t可用式(3)表示:

當(dāng)R=300 kb，通過上式可得出t=0.047 5 s。

圖7 為顯示了隨著R的變化，基于DSP的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)每簇匯聚數(shù)據(jù)的處理時(shí)間變化率。

圖7 達(dá)到匯總節(jié)點(diǎn)匯聚時(shí)間曲線圖Fig.7 Curve graph of convergence time arrived sink node

圖7 可看到在實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無(wú)線傳輸速率R=500 kb 附近，則針對(duì)每簇匯聚數(shù)據(jù)的接收時(shí)長(zhǎng)僅為0.1 s 左右。

另外一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能參數(shù)是對(duì)于整個(gè)模型的數(shù)據(jù)采集最大延遲時(shí)間，在本算法中，即為距離最大的簇中每個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)匯總節(jié)點(diǎn)的幀延遲，用Td表示。在本仿真中，節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)為30 m，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效傳輸速率平均為500 kb左右，則整個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集延遲最大僅為1.5 min。最大數(shù)據(jù)延遲仿真如圖8所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖8 系統(tǒng)最大延遲時(shí)間Fig.8 The maximum delay time of this system

本文在研究了以往航海艦隊(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)以及邏輯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。利用簇的概念，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)船艦編隊(duì)的數(shù)據(jù)采集匯聚算法。簇中的船艦節(jié)點(diǎn)之間使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)感應(yīng)，成為整個(gè)采集系統(tǒng)的一個(gè)簇節(jié)點(diǎn)，而每組艦隊(duì)的匯聚節(jié)點(diǎn)針對(duì)每簇匯聚數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總，最后設(shè)計(jì)了基于DSP的嵌入式仿真系統(tǒng)，通過驗(yàn)證，證明了系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚時(shí)間以及最大延遲時(shí)間得到有效提高，有效驗(yàn)證了本組網(wǎng)方式以及匯聚算法對(duì)整個(gè)船艦雷達(dá)系數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性。

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