無線傳感器網(wǎng)絡中的被動式目標定位系統(tǒng)設計

唐幸兒1，黃 輝2

（1.江門職業(yè)技術學院電子與信息技術系，廣東江門 529000；2.五邑大學信息工程學院，廣東江門 529020）

無線傳感器網(wǎng)絡中的被動式目標定位系統(tǒng)設計

唐幸兒1，黃 輝2

（1.江門職業(yè)技術學院電子與信息技術系，廣東江門 529000；2.五邑大學信息工程學院，廣東江門 529020）

針對采用傳統(tǒng)的被動式目標定位系統(tǒng)進行定位時，存在定位精度低的問題；設計了一種新的無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標定位系統(tǒng)；無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標定位系統(tǒng)主芯片CC2430、電源模塊、調(diào)試模塊、串口模塊及復位電路模塊；主芯片主要對整個系統(tǒng)的運行情況進行控制，電源模塊為整個系統(tǒng)提供必要的電源，調(diào)試模塊及復位模塊主要是對整個系統(tǒng)進行調(diào)試和復位；并對被動式目標定位系統(tǒng)軟件進行了設計；實驗結(jié)果證明，設計的定位系統(tǒng)在定位精度方面具有一定的優(yōu)越性。

無線傳感網(wǎng)絡；被動式目標；定位系統(tǒng)；設計

0 引言

無線傳感網(wǎng)絡（wireless sensor networks，WSN）是很多傳感節(jié)點在特定范圍里隨機分布產(chǎn)生的。隨著信息技術的快速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡被廣泛應用在軍事、醫(yī)療、商業(yè)、環(huán)境、工業(yè)等領域。這些應用領域和相關系統(tǒng)經(jīng)常需要知道被監(jiān)測對象發(fā)生時間的具體位置，才能做到及時做出對應提醒和解決方案。所以，對無線傳感網(wǎng)絡中的目標進行定位是該領域亟待解決的問題，而設計一種無線傳感網(wǎng)絡中的被動式目標定位系統(tǒng)，是解決無線傳感網(wǎng)絡中目標定位問題最有效的方法，也具有很強的現(xiàn)實意義及實用價值［1］。

傳統(tǒng)方法中，對無線傳感網(wǎng)絡中的目標進行定位時，通常采用能量波束形成方法進行定位，在信號波束聚焦過程中受到的干擾較大，定位精度不高［2 3］。對此相關文獻進行了系統(tǒng)的改進設計，其中，文獻［4］設計了一種基于自然對數(shù)變換的無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標定位系統(tǒng)，通過對目標信號進行檢測和濾波處理，提高定位的抗干擾性能，然后采用頻域展寬檢測方法實現(xiàn)目標信號的自主定位，然而該算法計算量大，且隨著定位目標的徑向運動導致定位誤差增大。文獻［5］設計了一種基于z域上的無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標定位系統(tǒng)，將系統(tǒng)引起的誤差經(jīng)過二維掃描實現(xiàn)補償，提高了定位精度，但是該方法在目標定位過程中會產(chǎn)生空間譜增益，導致定位目標偏離［6］，定位誤差較大。

針對上述問題，本文設計了一種新的無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標定位系統(tǒng)。無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標定位系統(tǒng)主芯片CC2430、電源模塊、調(diào)試模塊、串口模塊及復位電路模塊；主芯片主要對整個系統(tǒng)的運行情況進行控制，電源模塊為整個系統(tǒng)提供必要的電源，調(diào)試模塊及復位模塊主要是對整個系統(tǒng)進行調(diào)試和復位。并對被動式目標定位系統(tǒng)軟件進行了設計。實驗結(jié)果證明，設計的定位系統(tǒng)在定位精度方面具有一定的優(yōu)越性。

1 無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標定位系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲模型分析

設計的定位系統(tǒng)主要由ZigBee無線定位網(wǎng)絡和上位機監(jiān)控中心構成，使用4個目標參考節(jié)點、1臺筆記本和1個目標盲節(jié)點建立實驗平臺，協(xié)調(diào)器和PC用RS232接口進行連接，其網(wǎng)絡拓撲模型如圖1所示。

圖1 被動式目標定位系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲模型

其中：目標參考節(jié)點的功能是供應一個穩(wěn)定的坐標值及一個與距離有關的RSSI值；協(xié)調(diào)器的作用是負責整個無線傳感網(wǎng)絡的維護及與PC機的通信；目標盲節(jié)點的作用是接受目標參考節(jié)點的坐標、RSSI值，計算出自身的坐標位置；PC機的作用是為用戶供應一個查看、管理及配置的接口。

2 被動式目標定位系統(tǒng)硬件設計

2.1 被動式目標定位系統(tǒng)硬件整體結(jié)構

整體的被動式目標定位系統(tǒng)主要由主芯片、電源模塊、調(diào)試模塊、串口模塊及復位模塊組成，結(jié)構如圖2所示。

圖2 被動式目標定位系統(tǒng)整體結(jié)構

2.2 復位電路模塊設計

復位電路結(jié)構如圖3所示。

圖3 復位電路模塊

VCC上通電時，若松開復位鍵S1時，表示是電容在充電，在R15上出現(xiàn)電壓，能使系統(tǒng)復位；幾毫秒后電容就會充滿電，R15上的電流、電壓均為0，讓系統(tǒng)快速進入工作狀態(tài)；若按下復位鍵S1時，電容開始往外放點，JTAG－n RST直接與VCC連接，此時系統(tǒng)進入復位狀態(tài)。

2.3 串口模塊設計

新設計的系統(tǒng)使用串口對協(xié)調(diào)器和PC機進行連接，達到信息交互的目的。但是從串口輸出的電平為CMOS電平，存在和PC機的串口電平不匹配的問題，需要另一個電平轉(zhuǎn)換電路把兩種電平進行匹配，則設計的串口模塊如圖4所示。

圖4 串口模塊

2.4 調(diào)試模塊設計

設計的新系統(tǒng)采用JTAG調(diào)試電路，電路如圖5所示。

圖5 JTAG調(diào)試電路

通過20針標準JTAG調(diào)試口插座和CC2530進行連接，CC2530還支持SWD調(diào)試，JTAG調(diào)試需要占用5個I／O接口，用SWD調(diào)試只要有2個I／O接口即可，大大節(jié)約了I／O接口數(shù)量，在調(diào)試時主要用到調(diào)試數(shù)據(jù)SWDIO，調(diào)試時鐘SWCLK和復位引腳，JTAG是低電平有效的目標復位信號，接口連接仿真器就能對主芯片進行調(diào)節(jié)。

2.5 電源模塊設計

電源模塊是為其它模塊供應工作所需電能的主要模塊，是保證系統(tǒng)正常工作的重要條件。由于無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標節(jié)點存在的可移動性，使得電源使用干電池進行供電的方式。整個系統(tǒng)使用5 V，2 A的開關，為了維持穩(wěn)定，ZigBee模塊同樣使用5 V電源，使用SPX1117當作穩(wěn)壓器把不穩(wěn)定的5 V電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的3.3 V電壓。

圖6 電源模塊

2.6 參考電路模塊設計

參考電路使用CC2430芯片為主芯片，電路如圖7所示。

圖7 參考電路模塊

系統(tǒng)外接32 MHz時鐘振蕩電路及32.768 k Hz時鐘振蕩電路。C27和C28為去耦合電容，用于濾除電源的干擾；R1、R2為偏置電阻，電容C11和能量傳輸線組成了平衡變壓器，整個設計滿足了RF輸入／輸出匹配電阻的要求［7］。

3 被動式目標定位系統(tǒng)軟件設計

在無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標定位中，需要通過對被動式目標信號進行定位，提高定位的精準度。假設在無線傳感網(wǎng)絡被動式目標定位中，目標原信號x（t）為：

對信號按照從強到弱的順序逐個估計出目標信號分量的強度，因此可依據(jù)目標信號的調(diào)頻率和目標最大的速度范圍計算目標信號的固有模態(tài)函數(shù)，在變尺度壓縮長度范圍來確定定位的區(qū)間范圍，通過時間尺度與多普勒壓縮因子聯(lián)合估計，得到無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標信號自然對數(shù)自燃分解結(jié)果為：

在進行被動式目標定位過程中，對m個虛假分量rk進行目標信號還原，測試目標信號的自相關函數(shù)功率譜峰值，并與調(diào)頻斜率k0的值作比較，得到GPS信號的群延遲空間波束形成滿足：

其中：k為根據(jù)局部正交分解的變化得到無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標信號的檢測門限，k0為發(fā)射信號的調(diào)頻斜率，假設第i個定位標定點，τi為第i個定位目標點的時延，f0為被動式目標發(fā)射信號的初始頻率，由式可得目標信號定位頻率和方位信息估計值為：

通過上述處理，實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標的定位，定位過程可描述為：

1）使觀測信號數(shù)據(jù)X的均值為0；

2）數(shù)據(jù)白化處理，X→Z；

3）設估計分量個數(shù)為n，迭代次數(shù)k←1；

4）隨機選擇初始權矢量Wk；

7）令Wk＝Wk／‖Wk‖；

8）假如Wk不收斂的話，進行第（5）步；

9）令k＝k＋1，若k≤n，進行第（4）步。

則軟件實現(xiàn)流程如圖8所示。

圖8 軟件實現(xiàn)流程圖

4 仿真實驗與結(jié)果分析

為了本文設計的無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標定位系統(tǒng)的性能，進行仿真實驗［8］。實驗中首先建立系統(tǒng)測試平臺，采用低功耗16位定點DSP構建被動式目標信號處理器，目標信號采樣的時鐘頻率為低頻1024 Hz和高頻144 MHz，采用128 K× 16 Bit片選RAM進行輸入輸出口GPIO設計，輸入信噪比為SNR＝－8 dB的干擾條件下，進行無線傳感網(wǎng)絡中目標信號采集，得到信號的時域采樣波形如圖9所示。

圖9 被動式目標信號時域采樣

以上述目標信號采樣結(jié)果為測試樣本，進行了無線傳感網(wǎng)絡中目標信號的信號定位仿真，首先進行目標信號的抗干擾濾波預處理，采用濾波算法，得到原始目標信號解混后的輸出信號如圖10所示。

圖10 GPS信號解混抗干擾濾波處理后的輸出

然后采用群延遲空間波束形成方法進行目標信號的頻譜分解和特征掃描，實現(xiàn)信號定位，得到無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標信號而定位輸出結(jié)果如圖11所示，從圖可見，采用本文算法進行無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標信號定位，能準確反映被動式目標的位置特征和方位信息，定位精度較高，比傳統(tǒng)方法提高了14.21%，展示了本文方法在提高定位精度中的優(yōu)越性能。

圖11 被動式目標信號定位輸出

5 結(jié)論

本文設計的無線傳感網(wǎng)絡中被動式目標定位系統(tǒng)主要由主芯片CC2430、電源模塊、調(diào)試模塊、串口模塊及復位電路模塊組成；主芯片主要對整個系統(tǒng)的運行情況進行控制，電源模塊為整個系統(tǒng)提供必要的電源，調(diào)試模塊及復位模塊主要是對整個系統(tǒng)進行調(diào)試和復位。并對被動式目標定位系統(tǒng)軟件進行了設計。實驗結(jié)果證明，設計的定位系統(tǒng)在定位精度方面具有一定的優(yōu)越性。

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Optimization of GPSSignal Location Technology in Road Engineering Survey

Tang Xinger1，Huang Hui2

（1.Department of Electronic and Information Technology Jiangmen Polytechnic，Jiangmen 529000，China；2.School of Information Engineering Wuyi University，Jiangmen 529020，China）

In view of the traditional passive positioning，target positioning system has the problem of low positioning precision.We design a new system of passive target localization in wireless sensor networks.Passive target localization in wireless sensor network system is the main chip CC2430，power supply module，debugging module，serial port module and reset circuit module；Main chip is mainly to control the operation of the whole system，power supply module for the entire system to provide the necessary power，debugging module and reset module is mainly to debug and reset the whole system.And the passive targeting systems software design.The experimental results show that the design of positioning system has certain advantages in terms of positioning accuracy.

wireless sensor network；passive targets；positioning system；design

1671-4598（2016）08-0263-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.072

：TN911.7

：A

2016-05-27；

：2016-06-29。

唐幸兒（1964-），女，廣東江門人，講師，主要從事電子科學與技術方向的研究。