专利名称：一种超声波收发节点及其实现方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于室内测距的超声波收发节点的设计和实现方法。给出了一个超声波节 点的实例。主要解决了高频条件下的无线传感问题，属于超声波研究领域。
背景技术：
在弹性介质中，如果波源所激起的频率，在20Hz到20000Hz之间，就能引起人的听觉。在这一 频率范围内的振动称为声振动，由声振动所激起的纵波称为声波。超声波是以人耳能听到的声波 频率为基准，其频率高于20000Hz，为不可闻的声波称为超声波，超声波频率可高达1011Hz。
超声波与可闻声波相比，由于频率高、波长短，具有如下特性
(1) 方向性好。由于超声波频率高,波长短，衍射现象不显著，所以超声波的传播方向性好， 容易得到定向而集中的超声波束。超声波的这一特点，既便于定向发射以寻求目标，又便于聚焦 以获得较大的声强。
(2) 功率大。根据声波的声强公式
2
声强I与振动频率"的二次方成正比。超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率越高功率 越大。因此，超声波的功率可以比一般声波的功率大得多。大功率超声简称功率超声。
(3) 穿透力强。实验指出，超声波在气体中衰减很强，而在液体和固体中衰减很小，介质的吸 收系数随波的频率增大而增大，所以当超声波的频率增加时，穿透本领会下降，为此在不同的应 用中应选用适当的频率但因其声强大，且能量集中，故有较强的穿透本领。在不透明的固体中， 超声波能穿透几十米的厚度。超声波碰到杂质或介质分界面有显著的反射。
(4)引起空化作用。超声波在液体中传播时由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，在 传播过程中，液体时而受拉时而逐级压。液体能耐压，而承受拉力的能力很差。当超声波的波强 度足够大时，液体因承受不住拉力而发生断裂(特别是在含有杂质和气泡的地方)，从而产生近于 真空或含少量气体的空穴。在声波压缩阶段，空穴被压縮直至崩溃。在崩溃过程中，空穴内部可 达几千摄氏度的高温和几千个标准大气压的高压。此外，在小空穴形成过程中，由于摩擦而产生 正、负电荷，在空穴崩溃时，产生放电、发光现象。超声波的这种现象，称为空化作用。
超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一，世界各国均重视对超 声波技术在现代军事、医学、生活等领域中的应用研究。超声技术是通过超声波产生、传播及接 收的物理过程而完成的，它的应用研究正是结合超声波之独有特性而展开'。现阶段，超声波在军 事、医学、工业、生活及服务业中都有广泛的应用。
超声波传感器又叫超声波换能器，可以分为两大类用电气方式和机械方式产生超声波。电 气方式包括压电型、磁致伸縮型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所 产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前常用的是压电式超 声波发发生器。
发明内容
^r术问題本发明的目的是构建一种超声波收发节点的实现方法。节点的设计和实现不仅在
功能上实现超声波接收和发送的功能，具有较低的能耗，通过不同的供电方式满足各种需要。最 终目的是开发出性能高，复杂度低的超声波收发节点，以应用于精确定位。
技术方案本发明的超声波收发节点以处理控制模块为中心，信息感知模块与处理控制模块 单向联通，供电模块通过集成供电方式为整个节点提供能源；其中，处理控制模块包括发射部 分六通道反相器74HC04,接受部分红外遥控接收器CX20106;信息感知模块包括TR-40系列通 用型超声波发射接收传感器；供电模块由无线节点供电、交流转直流和直流转直流的三种供电方 式组成；
发送部分的处理控制模块通过第一个51针端口与无线传感器网络节点相连,接收来自无线节 点的控制信号，处理后控制信息感知模块发送超声波信号；接收部分接收来自信息感知模块的超 声波信号，处理后通过第二个51针端口发送给无线节点数据信号；供电模块处理来自无线传感器 节点通过第三个51针端口或外接5 18伏直流电源和交流电源，为收发节点供电，如图2所示。
超声波收发节点的实现方法所包含的步骤为-
步骤l)明确传感器硬件平台所需要完成的总体功能和基本性能指标:节点需要完成实时数据 采集、信号处理和控制、多种供电方式多种功能，节点要求具有较高的系统可靠性和集成度，较 好的实时分析与处理能力，实时信息采集和处理，并且具备长时间低能耗的工作条件，
步骤2)确定无线传感器网络节点的输入输出分为发送和接收超声波两部分，发送端要求输 入信号控制超声波的发送，接收端根据接收的超声波信号输出一个识别信号，包括了信息发送、 接收和处理，完成超声波信号的实时发哮和接收处理，
步骤3)明确节点信号类型与数据特性发送节点信号是传输于38KHZ—40KHZ的超声波方波， 具体调制方法可以通过软件来实现，接收节点经电路处理，传输一个下降沿信号，无线节点通过 软件处理这个信号，
步骤4)节点的执行方式与功能实现节点通过标准51针接口与无线节点进行连接，在无线节 点的控制与监视下，即可执行相关操作，完成应用任务，
步骤5)节点的基本构架设计节点的基本构架遵循一般嵌入式产品的基本模式，同时，基于 实际应用的需要，在各个层面上都有所扩展，节点基本构架由三个层面组成，自下而上分别是 供电部件层，数据处理控制层和超声波信号层；
步骤6)节点设计方案的描述系统采用自顶向下的方法将本节点的功能部件进行模块划分， 主要包括信号感知模块、处理控制模块和供电模块，
步骤7)信息感知模块的实现信息感知模块使用通用超声波发送接收头，提供超声波信息的 采集工作，与处理控制模块相连，实现超声波信号的发送和接收，
步骤8)处理控制模块的实现节点的处理控制模块是整个节点的核心模块，进行信号发送接 收处理以及与无线传感器节点进行交互，将信息感知模块采集到的超声波信息转化为电信号的形 式，并通过51针标准串行接口与无线传感器节点进行交流，发送部分控制超声波信号的发送，接 收部分处理超声波信号的接收处理，无线传感器节点利用51针标准串行接口控制和接收超声波信
j息，
步骤9)供电模块的实现供电模块为上述所有模块提供能源供给，给出三种供电方式，用户 可在不同供电方式下进行切换，为处理控制模块和信号感知模块供电，
步骤IO)根据本系统的规模和硬件平台的复杂程度，采用分块式的结构设计方式，将系统整体按照功能进行划分，包括信号感知模块、处理控制模块和供电模块，在实际设计过程中，每一 个模块都对应了相应的系统功能，并最终通过系统总线相连接，完成UsCell节点的整体功能的实 现，
步骤ll)超声波发送接收设备的选择超声波发射接收采用收发TR-40系列通用型超声波发 射接收传感器，它是采用压电效应工作的传感器，其振子用压电陶制成，加上共振喇叭可提高动 作灵敏度，当处于发射状态时，外加共振频率的电压能产生超声波，将电能转化为机械能；当处 于接收状态时，又能很灵敏的探测到共振频率的超声波，将机械能转化为电能，
步骤12)发送控制芯片的选择超声波发射端把从单片机发送过来的40KHZ的方波进行整波， 并把方波送给超声波压电式发射头，向外界发送超声波信号，选择高速硅门CMOS设备和低功耗肖 特基晶体管逻辑电路引脚的六通道反相器74HC04产生两个波形相反的方波信号送给发射头的两 端，
步骤13)接收处理芯片的选择:超声波接收端利用超声波接收头接收发射端发送的40KHZ方波， 把方波信号送给红外遥控接收器CX20106进行分析，产生一个下降沿发送给单片机进行处理，带通 滤波器的中心频率可由电阻调节，范围30—60KHz，
步骤14)电源芯片的选择超声波传感器电路芯片74HC04和CX20106的典型工作电压都是5V， 根据设计思想，提供三种供电方式①输入5 18V的交流电压转化为5V的直流电压②5 18V的直 流电压转化为5V的直流电压(D把节点上提供的3. 3V的直流电压转化为5V的直流电压。
有益效果作为利用超声波收发进行位置感知工作的UsCell节点具有以下一些优点和有益 成果
较低的复杂度设计考虑到本节点的设计是为了进行室内距离测量，所以为了获得更加准确 的时间信息，需要节点具有更快的反映速度，因此在节点设计时注重时间复杂度方面的考虑，利 用现有无线传感器节点通过51针标准扩展接口控制超声波节点的收发.，根据超声波收发头的性能 参数选择发送和接收处理芯片，接收芯片直接对超声波信号进行处理，把简单的识别信号送给无 线传感器节点，减少无线传感器节点的数据处理时间。
多种供电方式为了使Uscell应用于更广泛的环境下，提供了多种供电方式，满足各种不同 的需要，变压时采用高效的变压芯片，减少了发热量、提高了电能转化效率，使整个系统能够更 持久的工作。图2所示分别为节点的发射和接收原理图。
较强的抗干扰设计本发明的节点，由于其主要工作在室内这个复杂的环境下，在较高的性 能要求的同时，也对系统的抗干扰能力提出了越来越高的要求。Uscell节点从抑制干扰源，切断 传播路径和提高敏感元器件的抗干扰能力等多方面降低干扰，提高平台的可靠性。在芯片布局上 经过多方面的考虑，主要考虑电源芯片和超声波处理芯片及超声波发射接收头之间的干扰，将干 扰源与敏感器件分离；布线也经过一定的考虑，将超声波收发节点与无线传感器节点共地；为了 提高超声波的发射距离，利用上拉电阻提高超声波发射端的电压，提高了发射功率。图3所示分 别为节点发射和接收的PCB图。
较低的硬件制作成本作为测距使用传感器部件，超声波收发节点应当根据测距需要遍布于
网络各处，如果单个节点成本过高，必然会影响整个网络化的布局。本发明的UsCell节点的主要 部分采用单层板布线策略，整体布线合理，内部元件具有较高的性能价格比，使得节点整体的制 作成本降低。
图1是UsCell节点的整体模块组成图。表示整个节点系统基本模块组成。
图2是本发明的发送的节点原理图。图3是本发明的接收节点原理图。
图4是本发明详细的结构划分图。表示了本节点详细的模块结构和各个部分之间的协同关系。
具体实施例方式
作为具有超声波收发功能的UsCell (本发明节点的命名〉节点，主要由多种供电方式、超声 波处理芯片和超声波发射接收头组成。拥有多方式供电、 一定距离超声波收发等功能。实用性强， 应用范围广泛。发射端节点通过51标准扩展接口与无线传感器节点相连，由无线传感器节点控制 超声波发射头的发射；接收端节点由超声波接收头接收发射头的超声波信号并进行处理，通过51 针标准扩展接口发中断信号给无线传感器节点，从而实现超声波信号的收发。
本发明提出了一种由无线传感器节点实时控制超声波信号收发的超声波收发节点装置。整个 节点装置包括了超声波发送控制和接收处理模块，超声波发射接收模块和多方式供电模块。上述 三个模块通过无线传感器节点的有机控制，进行超声波信号的收发，信息处理，实时控制等一系 列工作。整个系统的模块组成图如图1所示。
超声波发送控制和接收处理模块是整个超声波收发节点的核心部分,负责整个UsCell节点的 发射控制和接收处理等关键功能。本发明中，采用了低功耗高性能的超声波发射信号处理芯片和 接收信号分析芯片，复杂度低，整个UsCell的处理速度和准确度较高，通过51针标准扩展接口 与无线传感器节点连接，稳定性好。
超声波发送接收模块主要负责超声波信号的收发，采用T/R_40系列压电式超声波传感器， 适用于以空气作为传播媒介的遥控发射、，接收电路中使用。工作频率在(40±1) KHZ,输出功率 大，灵敏度高，工作稳定，发射角度广，覆盖面积大。
多方式供电模块为UsCell节点提供运行所需要的全部能量。在本发明中，提供了三种供电方 式①节点的直流电源升压的供电方式；②外接直流电源降压的供电方式；(D外接交流电源转直 流再降压的供电方式。他们之间通过开关切换，为节点的持续工作提供保障。
超声波收发节点的实现方法所包含的步骤为
步骤l)明确传感器硬件平台所需要完成的总体功能和基本性能指标:节点需要完成实时数据 采集、信号处理和控制、多种供电方式多种功能，节点要求具有较高的系统可靠性和集成度，较 好的实时分析与处理能力，实时信息采集和处理，并且具备长时间低能耗的工作条件，
步骤2)确定无线传感器网络节点的输入输出分为发送和接收超声波两部分，发送端要求输 入信号控制超声波的发送，接收端根据接收的超声波信号输出一个识别信号，包括了信息发送、 接收和处理，完成超声波信号的实时发送和接收处理，
步骤3)明确节点信号类型与数据特性发送节点信号是传输于38KHZ—40KHZ的超声波方波， 具体调制方法可以通过软件来实现，接收节点经电路处理，传输一个下降沿信号，无线节点通过 软件处理这个信号，
步骤4)节点的执行方式与功能实现节点通过标准51针接口与无线节点进行连接，在无线节 点的控制与监视下，即可执行相关操作，完成应用任务，
步骤5)节点的基本构架设计节点的基本构架遵循一般嵌入式产品的基本模式，同时，基于 实际应用的需要，在各个层面上都有所扩展，节点基本构架由三个层面组成，自下而上分别是
供电部件层，数据处理控制层和超声波信号层；
步骤6)节点设计方案的描述系统采用自顶向下的方法将本节点的功能部件进行模块划分，主要包括信号感知模块、处理控制模块和供电模块，
7)信息鏵知模块的实现信息感知模块使用通用超声波发送接收头，提供超声波信息的 采集工作，与处理控制模块相连，实现超声波信号的发送和接收，
步骤8)处理控制模块的实现节点的处理控制模块是整个节点的核心模块，进行信号发送接 收处理以及与无线传感器节点进行交互，将信息感知模块采集到的超声波信息转化为电信号的形 式，并通过51针标准串行接口与无线传感器节点进行交流，发送部分控制超声波信号的发送，接 收部分处理超声波信号的接收处理，无线传感器节点利用51针标准串行接口控制和接收超声波信 息，
步骤9)供电模块的实现供电模块为上述所有模块提供能源供给，给出三种供电方式，用户 可在不同供电方式下进行切换，为处理控制模块和信号感知模块供电，
步骤IO)根据本系统的规模和硬件平台的复杂程度，采用分块式的结构设计方式，将系统整 体按照功能进行划分，包括信号感知模块、处理控制模块和供电模块，在实际设计过程中，每一 个模块都对应了相应的系统功能，并最终通过系统总线相连接，完成UsCell节点的整体功能的实
现，
步骤ll)超声波发送接收设备的选择超声波发射接收采用收发TR-40系列通用型超声波发
射接收传感器，它是采用压电效应工作的传感器，其振子用压电陶制成，加上共振喇叭可提高动
作灵敏度，当处于发射状态时，外加共振频率的电压能产生超声波，将电能转化为机械能；当处
于接收状态时，又能很灵敏的探测到共振频率的超声波，将机械能转化为电能，
步骤12)发送控制芯片的选择超声波发射端把从单片机发送过来的40KHZ的方波进行整波， 并把方波送给超声波压电式发射头，向外畀发送超声波信号，选择高速硅门Q10S设备和低功耗肖 特基晶体管逻辑电路引脚的六通道反相器74HC04产生两个波形相反的方波信号送给发射头的两 端，
步骤13)接收处理芯片的选择:超声波接收端利用超声波接收头接收发射端发送的40KHZ方波， 把方波信号送给红外遥控接收器CX20106进行分析，产生一个下降沿发送给单片机进行处理，带通 滤波器的中心频率可由电阻调节，范围30—60KHz，
步骤14)电源芯片的选择超声波传感器电路芯片74HC04和CX20106的典型工作电压都是5V， 根据设计思想，提供三种供电方式①输入5 18V的交流电压转化为5V的直流电压②5 18V的直 流电压转化为5V的直流电压③把节点上提供的3. 3V的直流电压转化为5V的直流电压，
步骤15)节点的电路设计与实现在电路设计中，从集成模块，到基本元件，都尽可能采用了 典型的器件，促进了硬件系统的标准化和模块化。
步骤16)计算机辅助设计与实现采用了一系列较为先进的电路CAD软件进行系统结构和较大 规模集成电路的设计。通用性强，开发效率高。系统的主要模块均釆用了Protel99完成硬件电路 的设计与绘制。鉴于本产品的部分元器件并没有预定义的封装形式，在开发过程中，加入了对于 这些器件的封装的定义，并已经打包到了其封装库当中，以便今后扩展使用。考虑到集成性，抗 干扰能力，以及系统各项性能指标的要求，在满足功能需要的情况下降低成本，本发明采用了单 层板布线的策略，通过手动布线和自动布线相结合的方式进行。
步骤17)硬件平台的可靠性设计和抗干扰性能。实际应用中的超声波收发节点，工作于各种 复杂的环境中，在较高性能要求的同时，也对系统的可靠性提出了越来越高的要求，特别是应用 于室内复杂环境下。本发明从抑制干扰源，切断传播路径和提高敏感元器件的抗干扰能力等多方 面降低干扰，提高平台的可靠性。采用共地的方式把无线传感器节点和超声波收发节点连接起来，提供稳定一致的超声波信号。在传播路径抑制方面，本发明充分考虑了电源对于片上系统的噪声 影响,"设计出带有滤波电路的稳定电源，在I/0口与噪声源之间同样加以隔离，同时，电路板合理 分区，将干扰源与敏感器件分离。本发明为提高敏感元器件的抗干扰能力，进行了多方面改进。
步骤18)与系统的硬件设计同时开展的是系统的软件功能设计。编写超声波发送信号程序和 超声波接收信号处理程序对硬件节点进行测试，以便于进一步对节点的硬件设计进行改进。
步骤19)节点的软件调试本发明使用AVR Studio进行软件调试。这是一个集项目管理，程 序编译，程序调试，程序下载，JTAG仿真等功能于一身的集成开发环境。允许用户进行AVR在线 实时仿真或模拟。在进行仿真之前，需要使用第三方编译器将源文件编译为可仿真的.cof文件 或.hex文件。
步骤20)系统级硬件仿真。本发明使用JTAG (Joint Test Action Gro叩)在线仿真器完成硬 件仿真。通过烧制平台，将本发明的超声波节点与无线传感器节点相连，把应用程序烧制到无线 传感器节点中，完成相应的应用功能。
本发明的超声波收发节点以处理控制模块为中心，信息感知模块与处理控制模块双向联通， 供电模块由三种供电方式为整个节点提供能源。
UsCell超声波收发节点具体实现方式和开发步骤为
(1) 在对超声波原理及测距领域进行深入具体研究的基础上，明确超声波收发节点所需要完 成的总体功能和基本的性能指标。针对实际应用的需求，UsCell节点需要完成实时数据发送和采 集，信号处理，多种供电方式等多种功能。为了达到上述的各项基本功能，UsCell节点具有了较 高的系统可靠性和集成度，较好的实时分析与处理能力，并且具备长时间低能耗的工作条件。
(2) 明确系统应用所必须达到的技术指标。
a) 系统的输入输出
本发明的节点分为发送和接收超声波两部分，发送端要求输入信号控制超声波的发送，接收 端根据接收的超声波信号输出一个识别信号，包括了信息发送、接收和处理。较好的完成了超声 波信号的实时发送和接收处理。
b) 节点信号类型与数据特性
发送节点信号是传输于38KHZ—40KHZ的超声波方波，具体调制方法可以通过软件来实现。接 收节点经电路处理，传输一个下降沿信号，无线节点通过软件处理这个信号。
c) 节点的执行方式与功能实现
节点通过标准51针接口与无线节点进行连接，在无线节点的控制与监视下，即可执行相关操 作，完成应用任务。
(3) 节点的基本构架设计。本发明节点的基本构架遵循了一般嵌入式产品的基本模式。节点 基本构架由三个层面组成，自下而上分别是供电部件层，数据处理控制层和超声波信号层。
a) 供电部件层
供电功能部件层是整个节点能正常工作的基础，使用超声波的设备T般功耗比较大，本发明
的超声波设备应用于室内，对节点的持续性要求较高。供电层提供三种供电方式，效率高，节点 工作时间较长。
b) 数据处理控制层-
数据处理控制层是整个节点的底层平台与硬件基础。包括了节点所有的硬件模块组成与无线 节点连接的集合。将超声波节点和无线传感器节点进行综合并协调工作。同时，定义了节点的发 送接收信号处理。
9c)超声波信号层
超声波信号层利用超声波发射接收头来实现超声波的发送和接收，实现超声波信号的感知。 节点的基本构架设计如图4所示。
(4) 进行节点设计方案的描述。系统采用自顶向下的方法将本节点的功能部件进行模块划分。
主要包括信号感知模块、处理控制模块和供电模块。
a) 信号感知模块
信息感知模块使用通用超声波发送接收头，提供超声波信息的采集工作。与处理控制模块相 连，实现超声波信号的发送和接收。
b) 处理控制模块
本发明节点的处理控制模块是整个节点的核心模块，进行信号发送接收处理以及与无线传感
器节点进行交互。将信息感知模块采集到的超声波信息转化为电信号的形式，并通过51针标准串
行接口与无线传感器节点进行交流。发送部分控制超声波信号的发送，接收部分处理超声波信号
的接收处理。无线传感器节点利用51针标准串行接口控制和接收超声波信息。
c) 供电模块
供电模块为上述所有模块提供能源供给，给出三种供电方式，用户可在不同供电方式下进行 切换，为处理控制模块和信号感知模块供电。
节点内各个模块的层次划分与相互调用关系如图5所示。
(5) 实施UsCell的总体结构设计。根据本系统的规模和硬件平台的复杂程度，采用了分块式 的结构设计方式。将系统整体按照功能进行划分。包括了信号感知模块、处理控制模块和供电模 块。在实际设计过程中，每一个模块都对应了相应的系统功能，并最终通过系统总线相连接，完 成UsCell节点的整体功能的实现。采用分块式的结构设计，不仅有利于嵌入式系统开发的软硬件 协同设计，同时有有助于提高系统的可靠性，因为一旦应用系统发生故障，则只要更改相应的电 路模块即可。
(6) 接下来的步骤是进行系统的硬件结构的设计。在实际操作中，采用了软硬件并行开发的 协同设计技术。硬件结构设计中包括了这样几个方面与步骤
a) 超声波发送接收设备的选择
超声波发射接收采用收发TR-40系列通用型超声波发射接收传感器，它是采用压电效应工作的 传感器。其振子用压电陶制成，加上共振喇叭可提高动作灵敏度，当处于发射状态时，外加共振 频率的电压能产生超声波，将电能转化为机械能。当处于接收状态时，又能很灵敏的探测到共振 频率的超声波，将机械能转化为电能。
b) 发送控制芯片的选择
超声波发射端把从单片机发送过来的40KHZ的方波进行整波,并把方波送给超声波压电式发射 头，向外界发送超声波信号。选择高速硅门CMOS设备和低功耗肖特基晶体管逻辑电路引脚的六通 道反相器74HC04产生两个波形相反的方波信号送给发射头的两端。
c) 接收处理芯片的选择
超声波接收端利用超声波接收头接收发射端发送的40KHZ方波，把方波信号送给CX20106进 行分析，产生一个下降沿发送给单片机进行处理。CX20106是日本索尼公司生产的红外遥控接收 器，带通滤波器的中心频率可由电阻调节，范围30—60KHz,所以使用此芯片对40KHZ的超声波 方波进行处理。
本发明在电路设计中，从集成模块，到基本元件，都尽可能采用了典型的器件，促进了硬件系统的标准化和模块化。同时，全面规划了系统的软硬件资源，在进行开发的过程中充分考虑了 系统的可扩展性，从而有利于系统的二次开发。
d) 电源芯片的选择
超声波传感器电路芯片74HC04和CX20106的典型工作电压都是5V，根据设计思想，提供三 种供电方式①输入5~18V的交流电压转化为5V的直流电压②5 18V的直流电压转化为5V的 直流电压③把节点上提供的3. 3V的直流电压转化为5V的直流电压。由于方式(Dd)的原理基本相 同，不同是①中需要把5 18V的交流电压转化为5~18V的直流电压，所以可以把方式①②放在 一起设计。选择高性能芯片，提供供电效率。
e) 硬件平台的计算机辅助设计
本发明采用了一系列较为先进的电路CAD软件进行系统结构和较大规模集成电路的设计。通用 性强，开发效率高。系统的主要模块均采用了Protel99完成硬件电路的设计与绘制。鉴于本产品 的部分元器f牛并没有预定义的封装形式，在开发过程中，加入了对于这些器件的封装的定义，并 己经打包到了其封装库当中，以便今后扩展使用。考虑到集成性，抗干扰能力，以及系统各项性 能指标的要求，在满足功能需要的情况下降低成本，本发明采用了单层板布线的策略，通过手动 布线和自动布线相结合的方式进行。本发明的原理图如图2所示，PCB图如图3所示。
f) 硬件平台的可靠性设计和抗干扰性能
实际应用中的超声波收发节点，工作于各种复杂的环境中，在较高性能要求的同时，也对系 统的可靠性提出了越来越高的要求，特别是应用于室内复杂环境下。本发明从抑制干扰源，切断 传播路径和提高敏感元器件的抗千扰能力等多方面降低干扰，提高平台的可靠性。采用共地的方 式把无线传感器节点和超声波收发节点等接起来，提供稳定一致的超声波信号。在传播路径抑制 方面，本发明充分考虑了电源对于片上系统的噪声影响，设计出带有滤波电路的稳定电源，在1/0 口与噪声源之间同样加以隔离，同时，电路板合理分区，将干扰源与敏感器件分离。本发明为提 髙敏感元器《牛的抗干扰能力，进行了多方面改进。
(7)与系统的硬件设计同时开展的是系统的软件功能设计。编写超声波发送信号程序和超声 波接收信号处理程序对硬件节点进行测试，以便于进一步对节点的硬件设计进行改进。
权利要求
1. 一种超声波收发节点，其特征在于该传感器节点以处理控制模块(1)为中心，信息感知模块(2)与处理控制模块(1)单向联通，供电模块(3)通过集成供电方式为整个节点提供能源；其中，处理控制模块(1)包括发射部分六通道反相器74HC04，接受部分红外遥控接收器CX20106；信息感知模块(2)包括TR-40系列通用型超声波发射接收传感器；供电模块(3)由无线节点供电、交流转直流和直流转直流的三种供电方式组成；发送部分的处理控制模块通过第一个51针端口(A)与无线传感器网络节点相连，接收来自无线节点的控制信号，处理后控制信息感知模块发送超声波信号；接收部分接收来自信息感知模块的超声波信号，处理后通过第二个51针端口(B)发送给无线节点数据信号；供电模块处理来自无线传感器节点通过第三个51针端口(C)或外接5～18伏直流电源和交流电源，为收发节点供电。
2. —种超声波收发节点的实现方法，其特征在于超声波收发节点的实现方法所包含的步骤为步骤l)明确传感器硬件平台所需要完成的总体功能和基本性能指标节点需要完成实时数据采集、信号处理和控制、多种供电方式去种功能，节点要求具有较高的系统可靠性和集成度，较 好的实时分析与处理能力，实时信息采集和处理，并且具备长时间低能耗的工作条件，步骤2)确定无线传感器网络节点的输入输出分为发送和接收超声波两部分，发送端要求输入信号控制超声波的发送，接收端根据接收的超声波信号输出一个识别信号，包括了信息发送、 接收和处理，完成超声波信号的实时发送和接收处理，步骤3)明确节点信号类型与数据特性发送节点信号是传输于38KHZ—40KHZ的超声波方 波，具体调制方法可以通过软件来实现，接收节点经电路处理，传输一个下降沿信号，无线节点 通过软件处理这个信号，步骤4)节点的执行方式与功能实现节点通过标准51针接口与无线节点进行连接，在无线节 点的控制与监视下，即可执行相关操作，完成应用任务，步骤5)节点的基本构架设计节点的基本构架遵循一般嵌入式产品的基本模式，同时，基于 实际应用的需要，在各个层面上都有所扩展，节点基本构架由三个层面组成，自下而上分别是 供电部件层，数据处理控制层和超声波信号层；步骤6)节点设计方案的描述系统采用自顶向下的方法将本节点的功能部件进行模块划分，主要包括信号感知模块、处理控制模块和供电模块，步骤7)信息感知模块的实现信息感知模块使用通用超声波发送接收头，提供超声波信息的 采集工作，与处理控制模块相连，实现超声波信号的发送和接收，步骤8)处理控制模块的实现节点的处理控制模块是整个节点的核心模块，进行信号发送接 收处理以及与无线传感器节点进行交互，将信息感知模块采集到的超声波信息转化为电信号的形 式，并通过51针标准串行接口与无线传感器节点进行交流，发送部分控制超声波信号的发送，接 收部分处理超声波信号的接收处理，无线传感器节点利用51针标准串行接口控制和接收超声波信 息，步骤9)供电模块的实现供电模块为上述所有模块提供能源供给，给出三种供电方式，用户 可在不同供电方式下进行切换，为处理控制模块和信号感知模块供电，步骤IO)根据本系统的规模和硬件平台的复杂程度，采用分块式的结构设计方式，将系统整 体按照功能进行划分，包括信号感知模块、处理控制模块和供电模块，在实际设计过程中，每一 个模块都对应了相应的系统功能，并最终通过系统总线相连接，完成UsCell节点的整体功能的实 现，步骤ll)超声波发送接收设备的选择超声波发射接收釆用收发TR-40系列通用型超声波发 射接收传感器，它是采用压电效应工作的传感器，其振子用压电陶制成，加上共振喇叭可提高动 作灵敏度，当处于发射状态时，外加共振频率的电压能产生超声波，将电能转化为机械能；当处 于接收状态时，又能很灵敏的探测到共振频率的超声波，将机械能转化为电能，步骤12)发送控制芯片的选择超声波发射端把从单片机发送过来的40KHZ的方波进行整波， 并把方波送给超声波压电式发射头，向外界发送超声波信号，选择高速硅门CMOS设备和低功耗肖 特基晶体管逻辑电路引脚的六通道反相器74HC04产生两个波形相反的方波信号送给发射头的两 端，步骤13)接收处理芯片的选择超声波接收端利用超声波接收头接收发射端发送的40KHZ方 波，把方波信号送给红外遥控接收器CX20106进行分析，产生一个下降沿发送给单片机进行处理， 带通滤波器的中心频率可由电阻调节，范围30—60KHz,步骤14)电源芯片的选择超声波传感器电路芯片74HC04和CX20106的典型工作电压都是 5V，根据设计思想，提供三种供电方式①输入5 18V的交流电压转化为5V的直流电压②5 18V 的直流电压转化为5V的直流电压③把节点上提供的3. 3V的直流电压转化为5V的直流电压。
全文摘要
一种超声波收发节点及其实现方法涉及一种应用于室内测距的超声波收发节点的设计和实现方法，给出了一个超声波节点的实例，主要解决了高频条件下的无线传感问题，该传感器节点以处理控制模块(1)为中心，信息感知模块(2)与处理控制模块(1)单向联通，供电模块(3)通过集成供电方式为整个节点提供能源；其中，处理控制模块(1)包括发射部分六通道反相器74HC04，接受部分红外遥控接收器CX20106；信息感知模块(2)包括TR-40系列通用型超声波发射接收传感器；供电模块(3)由无线节点供电、交流转直流和直流转直流的三种供电方式组成。节点的设计和实现不仅在功能上实现超声波接收和发送的功能，具有较低的能耗，通过不同的供电方式满足各种需要。
文档编号H04B11/00GK101430381SQ200810244030
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月12日 优先权日2008年12月12日
发明者凡高娟, 宁 叶, 孙力娟, 超 沙, 王汝传, 王玉斐, 志 陈, 马守明, 博 高, 黄海平 申请人:南京邮电大学