覃琪 譚松鶴

關(guān)鍵詞： 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng); 無線傳感網(wǎng)絡(luò); 錨節(jié)點(diǎn)距離估計(jì); 節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng); 安全定位; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN926?34; U665 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）03?0035?04

Abstract： The cost of node location in the sensor is relatively high， and the system is complex， which may cause the error or even failure of the node self positioning function. The software of the wireless sensor network is improved to better design the wireless sensor network system and realize the high?precision positioning system design. In combination with the innovation and optimization of the embedded node positioning system， an embedded node location system of wireless sensor network is set up to improve the running reliability， accuracy and flexibility of the positioning system， and make the system more suitable for different application detection and location environments. The simulation experiment was carried out to verify the effectiveness of the system. The experimental results show that the method can effectively improve the positioning accuracy and reliability of wireless sensor network technology， and effectively make up for the shortcomings existing in the traditional positioning system， and has higher reference and practical values.

Keywords： embedded network control system; wireless sensor network; anchor node distance estimation; node positioning system; security positioning; system design

0 ?引 ?言

作為一種新的定位搜索平臺，無線傳感器已廣泛應(yīng)用在交通管理和災(zāi)害檢測等日常公共生活領(lǐng)域，從而形成能夠?qū)θ蚨嗄繕?biāo)信息進(jìn)行多種檢測、高效采集和準(zhǔn)確傳輸?shù)谋O(jiān)控定額覆蓋網(wǎng)絡(luò)[1]。由于當(dāng)前無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中傳感器節(jié)點(diǎn)定位方法相對復(fù)雜，易出現(xiàn)定位信息傳輸誤差等問題[2]。為了更好地提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)功能運(yùn)作的準(zhǔn)確性和高效性。結(jié)合嵌入式節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)對監(jiān)測、監(jiān)控目標(biāo)信息進(jìn)行采集和傳輸。在對嵌入式節(jié)點(diǎn)定位理論進(jìn)行深入研究和分析的基礎(chǔ)上，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，該方法可有效提高系統(tǒng)的運(yùn)作性能，具有較高的應(yīng)用價(jià)值[3]。

1 ?嵌入式節(jié)點(diǎn)移動定位方法探究

對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和角度信息進(jìn)行獲取后，利用網(wǎng)格記數(shù)法對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信距離約束定位關(guān)系進(jìn)行計(jì)算[4]。對無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布距離進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)后，對系統(tǒng)中的錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值及位置信息進(jìn)行獲取，通過獲取信息對其他錨節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離和平均每跳距離進(jìn)行計(jì)算，并將此估計(jì)值作為標(biāo)準(zhǔn)校正數(shù)據(jù)傳輸至無線傳感網(wǎng)絡(luò)中[5]。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信定位系統(tǒng)中的通信節(jié)點(diǎn)一旦接收到上述校正信息，就可以精確快速地對系統(tǒng)內(nèi)部的錨節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行估計(jì)。為了進(jìn)一步擴(kuò)大定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測效果，設(shè)置了部分虛擬節(jié)點(diǎn)以便進(jìn)行優(yōu)化，從而有效解決節(jié)點(diǎn)分布稀疏或不規(guī)則的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中定位精確度差、效率低等問題，從而有效提高動態(tài)無線自組傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的適用性[6]。動態(tài)無線自組傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化過程如圖1所示。

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)密度較高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)對自身相對于錨節(jié)點(diǎn)的距離或角度測量會比較復(fù)雜[7]。因此需要對傳感器節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行優(yōu)化，嵌入固定的未知節(jié)點(diǎn)，使之向周圍臨近的節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位信息請求，并快速精準(zhǔn)地獲取到周圍每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的鄰居回復(fù)消息，從而實(shí)現(xiàn)定位[8]。傳感器嵌入節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)嵌入方法及結(jié)構(gòu)功能進(jìn)一步對嵌入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了減少設(shè)計(jì)過程中的額外花銷，提出使用嵌入式移動虛擬節(jié)點(diǎn)對自身精確位置進(jìn)行廣播和傳輸，從而對系統(tǒng)定位進(jìn)行輔助的設(shè)計(jì)方法[9]。通過對大量移動虛擬節(jié)點(diǎn)運(yùn)動過程進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中的虛擬節(jié)點(diǎn)處于移動狀態(tài)時(shí)，可以在固定的時(shí)間間隔內(nèi)對自身的精確坐標(biāo)信息進(jìn)行傳播，從而提高系統(tǒng)定位的精準(zhǔn)度。虛擬節(jié)點(diǎn)運(yùn)動過程簡化示意圖如圖3所示。

利用移動虛擬節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)輔助定位的方法可以全面掌握系統(tǒng)定位信息，提高系統(tǒng)的定位精度和速度[10]。移動虛擬節(jié)點(diǎn)具有受能源限制相對較小，且可有效替代系統(tǒng)中冗余節(jié)點(diǎn)設(shè)置的優(yōu)勢，從而降低定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)花銷。為了更好地對嵌入式節(jié)點(diǎn)移動過程進(jìn)行記錄，設(shè)置了虛擬節(jié)點(diǎn)移動網(wǎng)格，從而達(dá)到更加精確地對移動虛擬節(jié)點(diǎn)位移及距離進(jìn)行檢測和獲取的設(shè)計(jì)目標(biāo)[11]。嵌入式節(jié)點(diǎn)移動記錄方法如圖4所示。

利用上述網(wǎng)格方法可以更好地對虛擬節(jié)點(diǎn)的移動情況、距離和節(jié)點(diǎn)信息獲取的覆蓋面積進(jìn)行分析和檢測，有效獲取系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)定位信息，從而對傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息傳輸和定位功能進(jìn)行優(yōu)化[12]。

2 ?嵌入式無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)嵌入式移動節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動過程及傳輸計(jì)算對嵌入式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)定位控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[13]。由于在設(shè)計(jì)過程中，對定位信息的獲取需求不同，會產(chǎn)生不同的虛擬節(jié)點(diǎn)信息傳輸設(shè)計(jì)要求，為了快速、精準(zhǔn)地獲取節(jié)點(diǎn)定位信息，設(shè)計(jì)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息排查檢測系統(tǒng)，并給出冗余定位信息進(jìn)行檢測和排查的設(shè)計(jì)流程，以便對目標(biāo)信息進(jìn)行檢索，快速獲取所需數(shù)據(jù)。信息排查檢測系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

為了避免在對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位信息進(jìn)行排查的過程中出現(xiàn)由于嵌入式處理器對目標(biāo)信息儲存內(nèi)容相對較多造成的延時(shí)等問題，要根據(jù)具體需求對目標(biāo)定位信息進(jìn)行限制，從而精準(zhǔn)獲取定位信息。另外，由于嵌入式移動虛擬節(jié)點(diǎn)對信息的處理能力有限，應(yīng)盡量避免對運(yùn)算量相對較為繁重的信息進(jìn)行排查。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)具有開放性和普遍適用性，為了能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于多種監(jiān)控定位場合的設(shè)計(jì)目標(biāo)，要對節(jié)點(diǎn)定位信息安全功能進(jìn)行優(yōu)化，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對細(xì)節(jié)信息的獲取和排查工作?；谏鲜鲂畔?，設(shè)計(jì)了嵌入式節(jié)點(diǎn)信息定位安全優(yōu)化方法，以便保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

嵌入式節(jié)點(diǎn)的安全定位方法如圖6所示，在安全校驗(yàn)范圍內(nèi)，對固定良性節(jié)點(diǎn)域嵌入式移動虛擬節(jié)點(diǎn)以及部分難以正常運(yùn)行的通信節(jié)點(diǎn)的定位過程進(jìn)行信息傳輸鏈接和直接定位，利用移動虛擬節(jié)點(diǎn)對其他節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行接收和檢驗(yàn)，從而避免被破壞節(jié)點(diǎn)中信息丟失的問題，達(dá)到信息安全定位的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在保障系統(tǒng)安全準(zhǔn)確運(yùn)行的基礎(chǔ)上，綜合前文內(nèi)容對無線傳感網(wǎng)絡(luò)嵌入式節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了對改進(jìn)后的無線傳感網(wǎng)絡(luò)嵌入式節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)的工作效率進(jìn)行評估，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先對系統(tǒng)嵌入式節(jié)點(diǎn)的檢測信息數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1所示。

在上述同等條件下分別對被破壞的節(jié)點(diǎn)移動次數(shù)、嵌入式節(jié)點(diǎn)移動次數(shù)及良性節(jié)點(diǎn)移動次數(shù)進(jìn)行檢測，以便通過移動次數(shù)驗(yàn)證定位節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作情況。假設(shè)所有檢測的節(jié)點(diǎn)均被隨機(jī)分布于安全檢測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，且節(jié)點(diǎn)通信半徑相同，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動次數(shù)進(jìn)行對比檢測的結(jié)果如圖8所示。

通過圖8不難發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)中，嵌入式移動節(jié)點(diǎn)運(yùn)作相對更為靈活，可快速進(jìn)行移動，以便獲取更大范圍的定位數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)良性節(jié)點(diǎn)移動較慢造成信息獲取量低和被破壞節(jié)點(diǎn)中信息易丟失等問題。

由于在傳統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中，所有節(jié)點(diǎn)相對較多，且測距定位計(jì)算相對繁瑣，易造成計(jì)算誤差，且誤差值會在其他環(huán)節(jié)上進(jìn)行累積，從而導(dǎo)致系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度大幅度降低?；谏鲜霰尘?，在同等條件下對比傳統(tǒng)方法和文中設(shè)計(jì)方法對定位信息精準(zhǔn)度進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果如圖9所示。

綜合上述仿真檢測結(jié)果可知，改進(jìn)后的無線傳感網(wǎng)絡(luò)嵌入式節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)可更精準(zhǔn)地獲取和傳輸信息，精準(zhǔn)度遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)方法，且系統(tǒng)運(yùn)作過程相對穩(wěn)定，檢測過程中波動相對更小，由此證實(shí)該系統(tǒng)具有更高的安全性和優(yōu)越性，符合系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，適用于對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的應(yīng)用。

4 ?結(jié) ?語

為了更好地完成對無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的設(shè)計(jì)，利用嵌入式節(jié)點(diǎn)靈活、精準(zhǔn)的優(yōu)勢對移動網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)嵌入節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)，從而達(dá)到快速高效、精準(zhǔn)定位。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該方法可有效解決傳統(tǒng)方法中定位信息存在誤差等問題，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法中的不足，達(dá)到了精準(zhǔn)定位的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐勝，王海寬，尹志輝.工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式監(jiān)聽系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2017，36（3）：90?93.

XU Sheng， WANG Haikuan， YIN Zhihui. Research on embedded monitoring system for industrial wireless sensor network [J]. Measurement & control technology， 2017， 36（3）： 90?93.

[2] 姜有光，杜亞江，齊金平，等.嵌入式無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與遠(yuǎn)程維護(hù)[J].測控技術(shù)，2017，36（3）：94?97.

JIANG Youguang， DU Yajiang， QI Jinping， et al. Embedded wireless sensor network gateway design and remote maintenance [J]. Measurement & control technology， 2017， 36（3）： 94?97.

[3] 陳世文，劉睿強(qiáng)，王一男.改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（24）：54?57.

CHEN Shiwen， LIU Ruiqiang， WANG Yinan. Design and research of improved node positioning system for wireless sensor network [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（24）： 54?57.

[4] 王震，郭建.改進(jìn)TDOA算法的UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017，17（5）：34?37.

WANG Zhen， GUO Jian. UWB indoor positioning system based on improved TDOA algorithm [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2017， 17（5）： 34?37.

[5] 鄧昀，李朝慶，程小輝.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2017，37（1）：159?165.

DENG ?Yun， ?LI Chaoqing， CHENG ?Xiaohui. Design of remote wireless monitoring system for smart home based on Internet of Things [J]. Journal of computer applications， 2017， 37（1）： 159?165.

[6] 徐瑞華，王凱敏.面向礦井瓦斯監(jiān)測的ZigBee無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動化，2017，43（5）：68?71.

XU Ruihua， WANG Kaimin. Design of ZigBee wireless sensor network system for mine gas monitoring [J]. Industry and mine automation， 2017， 43（5）： 68?71.

[7] 王勇，楊杰.基于無線傳感網(wǎng)定位的網(wǎng)關(guān)功能模塊的實(shí)現(xiàn)[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，29（1）：80?84.

WANG Yong， YANG Jie. Realization of gateway function module based on wireless sensor network localization [J]. Journal of Qingdao University （natural science edition）， 2016， 29（1）： 80?84.

[8] 董瑋，陳共龍，曹晨紅，等.面向軟件定義架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2017，40（8）：1779?1797.

DONG Wei， CHEN Gonglong， CAO Chenhong， et al. Towards a software?defined architecture for wireless sensor networks [J]. Chinese journal of computers， 2017， 40（8）： 1779?1797.

[9] 王松濤.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2016（12）：87?88.

WANG Songtao. Design and implementation of smart home control system based on WSN node technology [J]. Resources eco?nomization & environment protection， 2016（12）： 87?88.

[10] 王莘.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)分析[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（18）：126?130.

WANG Shen. Wireless sensor network node energy saving technical analysis [J]. Electronic design engineering， 2017， 25（18）： 126?130.

[11] 王能河，周崎，王飛，等.基于NRF24L01的嵌入式Linux大型場所盆栽自動澆灌系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2017，40（3）：177?181.

WANG Nenghe， ZHOU Qi， WANG Fei， et al. Automatic watering system for potted plant based on Linux and NRF24L01 [J]. Electronic measurement technology， 2017， 40（3）： 177?181.

[12] 胡國強(qiáng)，李茵，蔚繼承.基于6LoWPAN和CoAP的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（23）：152?156.

HU Guoqiang， LI Yin， WEI Jicheng. Design and implementation of agri?environmental information sensing system based on 6LoWPAN and CoAP [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（23）： 152?156.

[13] 王緒海，姚曉峰.基于嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].信息通信，2016，42（1）：64?66.

WANG Xuhai， YAO Xiaofeng. Design of IOT gateway based on embedded system [J]. Information communication， 2016， 42（1）： 64?66.