無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）定位系統(tǒng)設(shè)計

關(guān) 亮 ， 張開龍， 李同松

（1.中國人民解放軍69016部隊，新疆烏魯木齊830001；2.普天信息技術(shù)研究院有限公司北京100080）

定位是無線傳感器（WSN）網(wǎng)絡(luò)重要的支撐技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用。ZigBee技術(shù)則是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[1]，可以嵌入到各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是現(xiàn)今研究的一個重點，相關(guān)定位技術(shù)的研究和應(yīng)用也受到人們廣泛的關(guān)注。

1 WSN定位概述

1.1 WSN定位研究現(xiàn)狀

無線傳感器的廣泛應(yīng)用使其定位技術(shù)得到快速發(fā)展。TI公司推出一款帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案CC2431，在典型應(yīng)用中可實現(xiàn)3～5m定位精度和0.25m的分辨率，由于定位算法被固化，導(dǎo)致其應(yīng)用缺少靈活性[2]。另一方面，利用普通無線收發(fā)器件結(jié)合軟件算法的定位受到了廣泛關(guān)注。

1.2 CC2430簡介

CC2430[3]是TI公司推出的一款2.4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片。該器件內(nèi)部集成有ZigBee射頻前端，內(nèi)存和微控制器。微控制器使用的8051內(nèi)核，內(nèi)部具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含A/D轉(zhuǎn)換器、定時器Timer、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式，定時器上電復(fù)位電路以及外部21個可編程的I/O口，在硬件上支持IEEE802.15.4規(guī)定的CSMA-CA功能。CC2430自身資源豐富和低功耗、低成本的特點使得其非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

2 定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。無線傳感器定位系統(tǒng)中包括3類節(jié)點：協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點和盲節(jié)點。參考節(jié)點位置已知，盲節(jié)點利用已知參考節(jié)點信息，借助一定的定位算法確定自身位置，完成自身定位。

一個完整的無線傳感器定位系統(tǒng)設(shè)計過程包括3個方面：硬件節(jié)點設(shè)計、定位節(jié)點軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計。硬件設(shè)計為系統(tǒng)提供定位硬件平臺，定位節(jié)點軟件設(shè)計主要完成無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)傳輸流程，上位機軟件接收無線采集數(shù)據(jù)，利用特定算法完成定位，并動態(tài)顯示定位結(jié)果。

圖1 定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 WSN定位節(jié)點硬件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

定位節(jié)點硬件設(shè)計框架如圖2所示。硬件設(shè)計分為兩部分：無線通信模塊設(shè)計和無線測試模塊設(shè)計。無線通信模塊為節(jié)點間的無線數(shù)據(jù)提供接口，它是節(jié)點核心部分。無線測試模塊通過RS232串口轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)PC機與協(xié)調(diào)器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 定位節(jié)點硬件設(shè)計框圖

3.2 硬件實現(xiàn)

無線通信模塊包括CC2430及其相關(guān)外圍電路。由于CC2430集8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊于一體，從而簡化了電路設(shè)計過程，省去了單片機和無線收發(fā)器件之間接口電路的設(shè)計，縮短了研發(fā)周期[3]。

無線測試模塊的串口轉(zhuǎn)換電路采用MAX3232雙通道轉(zhuǎn)換器，工作電壓范圍為3～5.5 V，該電路主要用于協(xié)調(diào)器與PC之間的串口通信。

對射頻電路來說，解決好器件間干擾問題是至關(guān)重要的。建議無線通信模塊采用PCB雙層板，頂層用于信號線布線，底層用于電源和地布線，在無布線的開放區(qū)域采用少量過孔相連到地。另外，務(wù)必使CC2430底部可靠接地。外圍器件尺寸盡量小，可使用0402規(guī)格阻容器件。如果使用PCB天線，為了減少板材對PCB天線的影響，使天線獲得最佳性能，可以采用RF4板材，板材介電常數(shù)為4.5，厚度為1 mm，敷銅厚度為0.35 μm。無線測試模塊PCB制作無特殊要求。

4 定位節(jié)點軟件設(shè)計

無線傳感器定位網(wǎng)絡(luò)中存在3種功能類型的節(jié)點，分別為網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）、參考節(jié)點（路由器）和盲節(jié)點（終端）。網(wǎng)關(guān)在整個系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用，首先它要接收上位機發(fā)出的命令，開啟網(wǎng)絡(luò)，等待其他類型節(jié)點入網(wǎng)，其次還要接收各節(jié)點反饋的有效數(shù)據(jù)并傳輸給上位機軟件處理。參考節(jié)點是一類靜止的已知自身位置的節(jié)點，它的任務(wù)是接收帶RSSI（Received Signal Strength Indicator）值的信息包并計算RSSI平均值，最終在盲節(jié)點打包各RSSI平均值后，將其發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，傳回上位機監(jiān)控軟件處理。盲節(jié)點是一類可移動的節(jié)點，可在參考節(jié)點包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動。盲節(jié)點向周圍空間廣播RSSI簇，并接收一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點平均RSSI值，打包收到的各平均RSSI值后，無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。圖3為整體傳感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程[4]。

圖3 感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程

考慮到網(wǎng)關(guān)節(jié)點除了組網(wǎng)和串口通信功能外，它可以作為參考節(jié)點使用，故只需要編寫兩種節(jié)點程序即可。網(wǎng)關(guān)節(jié)點特有的功能用虛線標出。各類節(jié)點工作流程如圖4和圖5所示。

5 上位機軟件設(shè)計

5.1 上位機功能及其實現(xiàn)

無線傳感器定位系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件中，與定位相關(guān)的功能主要包括2大類：定位工程管理和定位信息處理。定位工程管理完成加載定位區(qū)域示意圖和配置參考節(jié)點坐標信息功能。定位信息處理完成參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理功能。具體來說，定位工程管理需要包括以下3方面：1）加載定位區(qū)域平面圖，用戶為特定定位場景自行選擇bmp、jpg、gif等格式的定位區(qū)域示意圖；2）配置參考節(jié)點信息，用戶自行配置參考節(jié)點并在工程中設(shè)置參考點號，在定位區(qū)域示意圖中標示參考節(jié)點位置；3）保存和修改工程，隨時保存和修改工程信息。而定位信息處理包括2個方面：1）提供PC和協(xié)調(diào)器間接口，通常使用串口與協(xié)調(diào)器進行通信，PC機向下發(fā)送命令信息，協(xié)調(diào)器向上讀取數(shù)據(jù)。2）區(qū)域定位，根據(jù)從參考節(jié)點讀出的信息進行定位并顯示和保存定位結(jié)果。

上位機功能實現(xiàn)流程如圖6所示。其中，系統(tǒng)初始化包括：定位區(qū)域示意圖加載、區(qū)域尺寸參數(shù)設(shè)置、參考節(jié)點位置設(shè)置和串口相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及串口打開等功能。

圖6 上位機實現(xiàn)流程

5.2 定位算法選取

基于接收信號強度指示（RSSI）的算法，利用RSSI與距離之間的關(guān)系，在特定定位環(huán)境采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行擬合，獲取二者關(guān)聯(lián)曲線，利用基于測距的定位算法實現(xiàn)未知節(jié)點的位置確認[5]。

基于場地信號強度數(shù)據(jù)庫的算法，就室內(nèi)定位而言，要實現(xiàn)精確定位，最直接的方法是建立待定位場地的信號強度數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)值比對確定盲節(jié)點位置。但數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建費時費力，室內(nèi)環(huán)境改變（如室內(nèi)設(shè)施移動了位置、改變了參考節(jié)點位置等）需要重新構(gòu)建采樣數(shù)據(jù)庫。為了以較小代價獲得盡可能高的精度，可以將2種定位方法進行適當融合[6]。每種算法都有它的優(yōu)缺點，根據(jù)具體應(yīng)用需要選擇合適的算法。

6 結(jié)束語

本文詳細介紹了無線傳感器定位系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，該定位系統(tǒng)可以充分利用軟件方法實現(xiàn)較高的定位精度。降低對定位硬件的要求，使得無線傳感器定位系統(tǒng)維持在較低的成本上。從實際測試結(jié)果表明：該定位系統(tǒng)是切實可行的，并且實現(xiàn)簡便。

[1]ZigBeeAlliance．ZigBeespecification:ZigBeedocument 053474r06，Version 1．0[S]．2004．

[2]Texas Instruments．System-on-chip for 2．4GHz ZigBee/IEEE 802．15．4 with location engine[EB/OL]．（2007－06－15）．http://focus．ti．com．cn/cn/docs/prod/folders/print/cc2431．html．

[3]Texas Instruments．CC2430 data sheet[EB/OL]．（2007－06－15）．http://www．ti．com/cn/lit/gpn/cc2431．

[4]Texas Instruments．Z-Stack location profile user's guide[EB/OL]．2006．http://vast．uccs．edu/files/projects/traumagps_files/docs/chipcon/Z－Stack．pdf．

[5]王福豹，史龍，任豐原．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法[J]．軟件學(xué)報，2005，16（5）：857－868．

[6]孫佩剛，趙海，羅玎玎，等．智能空間中RSSI定位問題研究[J]．電子學(xué)報，2007，35（7）：1240－1245．