朱海洋， 張 合， 馬少杰， 潘 菡

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱海洋， 張 合， 馬少杰， 潘 菡

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)節(jié)點(diǎn)散布情況對(duì)其工作性能有著很大的影響，所以設(shè)計(jì)了通信定位平臺(tái)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的位置和覆蓋質(zhì)量。WSNs由基于北斗二代(BD2)定位模塊、nRF905射頻收發(fā)器和C8051F310單片機(jī)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用詢問(wèn)的方式收集各傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，并最終通過(guò)北斗一代(BD1)通信衛(wèi)星傳遞給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。系統(tǒng)硬件設(shè)備簡(jiǎn)單，能夠被廣泛應(yīng)用于各種遠(yuǎn)程WSNs的位置監(jiān)控。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 覆蓋質(zhì)量； 北斗二代； 北斗一代； 位置監(jiān)控

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)由傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是環(huán)境探測(cè)，可裝備多種傳感器來(lái)探測(cè)環(huán)境中的物理量，如光、溫度、濕度、氣壓、速度、聲場(chǎng)、磁場(chǎng)等。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從傳感器節(jié)點(diǎn)中收集數(shù)據(jù)并傳遞給基站，具有更強(qiáng)的處理能力—更充足的電源供應(yīng)以及更遠(yuǎn)的通信距離。WSNs在很多應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的潛力，如軍事目標(biāo)跟蹤和監(jiān)控[1]、自然災(zāi)害救援、生理健康監(jiān)控、危險(xiǎn)環(huán)境勘測(cè)等。

WSNs自身定位的作用在多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)中顯得不是十分重要，如環(huán)境監(jiān)測(cè)等，因?yàn)閼?yīng)用程序只關(guān)心整體而非單個(gè)節(jié)點(diǎn)上的信息[2]。但卻是另一些的應(yīng)用，特別是軍事應(yīng)用的基礎(chǔ)，如報(bào)告網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量、目標(biāo)的定位和跟蹤[3]等。目前應(yīng)用最為廣泛的自身定位方法是依靠有限的位置、已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(beacon node)來(lái)確定其他未知節(jié)點(diǎn)(unknown node)的位置[4]。結(jié)構(gòu)型WSNs[5]通過(guò)手工配置確定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置，而非結(jié)構(gòu)型WSNs通過(guò)GPS來(lái)確定。確定未知節(jié)點(diǎn)位置的方法有基于測(cè)距技術(shù)的定位和無(wú)須測(cè)距技術(shù)的定位。但是這些未知節(jié)點(diǎn)的定位方法需要復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)和算法，并且在惡劣的環(huán)境下不能達(dá)到理想的效果。

本文針對(duì)可拋撒地雷散布特點(diǎn)，且衛(wèi)星定位模塊越來(lái)越便宜的前提下，設(shè)計(jì)了基于射頻和北斗一代(BD1)通信模塊的通信平臺(tái)，并利用北斗二代(BD2)定位模塊提供自定位的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程WSNs覆蓋質(zhì)量的目的。

1 WSNs系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

WSNs幾乎沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施，是由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同起來(lái)獲得環(huán)境的特征。按照部署方式和位置的不同，WSNs有兩種：結(jié)構(gòu)型和非結(jié)構(gòu)型。結(jié)構(gòu)型WSNs[5]中，一些或所有的傳感器節(jié)點(diǎn)是采用預(yù)先計(jì)劃的方式進(jìn)行部署的，即被固定地放置于預(yù)先決定的位置，只需要少量節(jié)點(diǎn)就能覆蓋部署區(qū)域，維護(hù)和管理都比較容易，但是不能被布置到人類無(wú)法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中。而非結(jié)構(gòu)型WSNs包含密集的節(jié)點(diǎn)群，能通過(guò)飛機(jī)或火箭進(jìn)行部署，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)，無(wú)人值守地去執(zhí)行監(jiān)控和報(bào)告功能。

本文設(shè)計(jì)的非結(jié)構(gòu)型WSNs系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括傳感器節(jié)點(diǎn)(群)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、BD1通信衛(wèi)星和控制中心等。傳感器節(jié)點(diǎn)配備BD2定位模塊對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，通過(guò)短距離射頻模塊直接或間接與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)聯(lián)系，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳輸給BD1通信模塊，最終通過(guò)和通信衛(wèi)星的對(duì)接，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。也可以利用建立好的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程發(fā)送指令，從而控制網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)。

圖1 WSNs覆蓋質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of monitoring system for WSNs coverage quality

2 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

WSNs中的節(jié)點(diǎn)由通信平臺(tái)和傳感器模塊組成，現(xiàn)如今先進(jìn)的傳感器技術(shù)能夠?yàn)閃SNs的設(shè)計(jì)和發(fā)展提供多種探測(cè)方案，而對(duì)于通信系統(tǒng)各公司和研究機(jī)構(gòu)也研制了若干平臺(tái)，如表1所示。由于至今沒(méi)有關(guān)鍵技術(shù)使WSNs的價(jià)格降低，所以,根據(jù)需求專門(mén)設(shè)計(jì)制造WSNs設(shè)備更加方便和經(jīng)濟(jì)。

本文所設(shè)計(jì)的WSNs節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要由C8051F310單片機(jī)和射頻收發(fā)器nRF905組成，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)BD1通信模塊建立與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的鏈路。

圖2 節(jié)點(diǎn)組成原理圖Fig 2 Principle diagram of nodes composition

BD2定位模塊選擇核芯星通的BD/GPS雙系統(tǒng)導(dǎo)航授時(shí)模塊，工作電壓3.0～3.6 V，功耗350 mW，數(shù)據(jù)更新率1 Hz，支持單系統(tǒng)獨(dú)立定位和多系統(tǒng)聯(lián)合定位。BD1通信模塊選擇TM8540模塊，集成了射頻收發(fā)芯片、功放芯片、基帶電路等，可完整實(shí)現(xiàn)RDSS收發(fā)信號(hào)、調(diào)制解調(diào)全部功能。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊是挪威Nordic公司推出的nRF905單片無(wú)線收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6 V，最大發(fā)射功率為10 dBm，可工作在433/868/915 MHz的ISM頻段。使用ShockBurst技術(shù)可將與射頻協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)，即自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，從而提供高速的數(shù)據(jù)傳輸。

表1 國(guó)內(nèi)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)Tab 1 WSNs hardware platforms of home and abroad

3 通信平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)需要周期性地報(bào)告自身狀態(tài)和環(huán)境探測(cè)情況，因此，最簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)間通信模式是利用只有發(fā)射功能的射頻設(shè)備。但是傳感器節(jié)點(diǎn)必須與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)取得直接聯(lián)系，從而形成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)法接收指令或阻止通信沖突。所以，通常采用具有收發(fā)功能的通信模塊[6]。WSNs通信協(xié)議有IEEE 802.15.4,Zig Bee,Wireless HART,ISA100.11a,6LoWPAN,IEEE 802.15.3和Wibree。其中，以Zig Bee應(yīng)用最為廣泛，如表1所示。究竟選擇什么通信標(biāo)準(zhǔn)，還需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)來(lái)定，所以,很多情況下都需要自定義通信協(xié)議。

3.1 BD2定位信息提取

BD2/GPS雙模塊導(dǎo)航授時(shí)模塊UM220通過(guò)串口輸出諸多NMEA格式的定位信息。本文只關(guān)心經(jīng)緯度信息，對(duì)推薦的最小數(shù)據(jù)(RMC)中的速度、方位角、磁偏角等30個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)并不關(guān)心，所以,單片機(jī)要對(duì)接收到的定位信息進(jìn)行篩選和儲(chǔ)存。

圖3 BD2定位信息提取流程圖Fig 3 Flow chart of BD2 localization information extraction

軟件流程如圖3所示，串口接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)入串口中斷服務(wù)程序。利用數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)標(biāo)志位i來(lái)判斷接收到的數(shù)據(jù)位于RMC的何處。i的值為0，表示要尋找RMC的起始點(diǎn)符號(hào)“$”；i的值為1，代表需要判斷位置有效標(biāo)志Status，有效則存儲(chǔ)后續(xù)數(shù)據(jù)，無(wú)效則重新接收。i的值為2，代表位置信息有效，并存儲(chǔ)接下來(lái)的29個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。篩選之后的信息只有緯度和經(jīng)度，例如：3201.646357,N,11851.291297,E。

3.2 通信過(guò)程

可布撒地雷的散落半徑為200 m，nRF905射頻的通信距離能夠支持單跳網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。各節(jié)點(diǎn)落地上電后，傳感器節(jié)點(diǎn)射頻一直處于接收狀態(tài)，等待網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的詢問(wèn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)依次收集所有傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，如圖4所示。

圖4 單跳網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程圖Fig 4 Flow chart of networking of single-hop network

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將收集的位置依次傳遞給BD1通信模塊。BD1通信系統(tǒng)的用戶設(shè)備發(fā)送通信申請(qǐng)格式如表2所示。通信類別為0時(shí)表示特快通信，為1時(shí)表示普通通信；傳輸方式為0時(shí)表示漢字，為1表示代碼，為2時(shí)表示混合傳輸。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度根據(jù)用戶級(jí)別的不同，可傳送的電文長(zhǎng)度也不同。驗(yàn)證碼是對(duì)語(yǔ)句中所有字符的8位(不包括起始和結(jié)束位)執(zhí)行異或運(yùn)算。所有字符指在定界符“$”與“*”之間的全部字符。發(fā)送時(shí)將16進(jìn)制的高4位和低4位轉(zhuǎn)換成2個(gè)ASCII字符。

表2 BD1通信格式Fig 2 Communication format of BD1

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5為節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖，并不包括BD模塊。BD2定位模塊通過(guò)串口與圖中所示電路板連接即為傳感器節(jié)點(diǎn)，BD1通信模塊與電路板連接即為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。將1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(0#)和4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)(1#，2#，3#，4#)按直線排布于開(kāi)闊的地帶，1#，2#節(jié)點(diǎn)相隔5 m，其余節(jié)點(diǎn)相隔20 m。將BD車(chē)載機(jī)作為管理節(jié)點(diǎn)放置于相隔200 m的地方，上位機(jī)通過(guò)Matlab處理管理節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到的位置信息，如圖6所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)Fig 5 Sensor node

圖6 節(jié)點(diǎn)位置圖Fig 6 Position of nodes

圖6中0#為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，能夠看出傳感器節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)位置和分布規(guī)律。圖中1#,2#節(jié)點(diǎn)幾乎重合是因?yàn)閁M220的定位誤差為10 m，不能分辨出這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。BD2定位系統(tǒng)誤差主要來(lái)自衛(wèi)星鐘差、電離層延遲和對(duì)流層延遲等。由于WSNs的部署相對(duì)于誤差來(lái)說(shuō)是較大范圍的覆蓋，能夠顯示W(wǎng)SNs的分布情況。另外，在WSNs中，BD2定位系統(tǒng)可通過(guò)差分定位方法提高定位精度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:該系統(tǒng)可遠(yuǎn)距離監(jiān)控WSNs的覆蓋質(zhì)量。

5 結(jié) 論

本文綜合了BD2無(wú)源定位技術(shù)、BD1通信技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了WSNs遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。由BD2衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位后，通過(guò)自組網(wǎng)方式將位置信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)衛(wèi)星鏈路將信息傳遞給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，能夠遠(yuǎn)距離監(jiān)控WSNs各節(jié)點(diǎn)的分布情況，為計(jì)算網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量和封鎖效能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，該系統(tǒng)能夠監(jiān)控遠(yuǎn)程WSNs的絕對(duì)地址和節(jié)點(diǎn)間的分布情況。

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Design of remote monitoring system for coverage quality of WSNs

ZHU Hai-yang, ZHANG He, MA Shao-jie， PAN Han

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China )

Node deployment of wireless sensor networks(WSNs)has large influence on its working performance,a platform for communication and positioning is designed to monitor positions and coverage quality of nodes.WSNs consists of nodes made by BD2 positioning module,nRF905 and C8051F310,and gateway node collects location information by querying each sensor node,and then transmits to remote data monitoring center by BD1 communication satellite.Hardware devices of system are simple which can be widely applied in different kinds of WSNs for position monitoring.

WSNs; coverage quality; BD2; BD1; position monitoring

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0107—03

2014—05—15

TP 29

A

1000—9787(2014)12—0107—03

朱海洋(1989-)，男，江蘇徐州人，博士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位技術(shù)。