黨元一

(沈陽工程學(xué)院自動化學(xué)院，遼寧 沈陽110136)

0 引言

隨著傳感器和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)由于具有信號采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測、信息傳輸和信息服務(wù)等功能，已經(jīng)被人們用于軍事、交通、醫(yī)療、抗災(zāi)等各種領(lǐng)域，極大地豐富了人們與外部世界的數(shù)據(jù)交互能力，為人們創(chuàng)造了巨大的便利[1]。在很多應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)位置信息的獲取至關(guān)重要，成為目前研究的重點(diǎn)。位置信息獲取的難點(diǎn)如下[2]：

1) 無線傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用輕量級設(shè)計(jì)，處理器的計(jì)算能力有限，電池提供的能量也有限，無法設(shè)計(jì)復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)位置獲取算法。

2) 應(yīng)用的環(huán)境復(fù)雜多樣，常常在一些極端惡劣的條件下使用，存在較大的通信干擾。

這一系列的問題導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在定位上存在著一些問題。針對此，本文設(shè)計(jì)了一種安全有效的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，最后給出了系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)的原理為：通過在區(qū)域內(nèi)設(shè)置固定位置節(jié)點(diǎn)(錨節(jié)點(diǎn))，由定位算法根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置；所有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息匯總到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)直接把信息傳遞到監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控主機(jī)通過程序生成整個系統(tǒng)的位置信息圖。系統(tǒng)的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)連接關(guān)系

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括處理器模塊、供電模塊、串口通信模塊三部分。

2.1 處理器模塊

錨節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的處理器采用TI公司的CC2530芯片，CC2530提供了片上系統(tǒng)解決方案，應(yīng)用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它結(jié)合了先進(jìn)的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其它強(qiáng)大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256 KB的閃存。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適合超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，這進(jìn)一步確保了低能源消耗。處理器模塊電路圖如圖2所示。

圖2 處理器模塊電路圖

2.2 供電模塊

系統(tǒng)采用鋰電池供電，并采用太陽能板進(jìn)行充電。充電端并聯(lián)法拉電容，法拉電容能夠在太陽充足時(shí)充滿電量，在太陽不足時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充充電。鋰電池輸出端連接穩(wěn)壓器對處理器進(jìn)行供電[3]。電路圖如圖3所示。

圖3 供電模塊電路圖

太陽能充電控制采用TP4054芯片，該芯片是專為鋰電池充電設(shè)計(jì)的一款線性充電芯片，采用較小的封裝與較少的外圍器件，非常適用于小型設(shè)備應(yīng)用。它的充電電流可達(dá)800 mA,電路中無需MOSFET、檢測電阻器或隔離二極管。

小型鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.7 V，充滿電之后的電壓為4.2 V，處理器的工作電壓為3.3 V。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓芯片不能提供這么小壓差的穩(wěn)定輸出電壓，我們需要采用低壓差穩(wěn)壓芯片。穩(wěn)壓芯片采用XC6206P332，它是一款3端高精度、低功耗正壓穩(wěn)壓器,采用CMOS和激光微調(diào)技術(shù)制造。XC6206穩(wěn)壓器是一個系列，輸出電壓范圍從1.2 V～5.0 V，每隔0.1 V有一個型號，3.3 V輸出是其中一種。XC6206P332是它的完整型號，含義是輸出電壓為3.3 V，誤差為±2%。

2.3 串口通信模塊

匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把信息傳遞到監(jiān)控主機(jī)，匯聚節(jié)點(diǎn)和主機(jī)間采用串口進(jìn)行通信。電路圖如圖4所示。

圖4 串口通信模塊電路圖

傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)的處理器采用CC2530，它具有串口通信功能。要實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控主機(jī)的通信，需要通過串口通信模塊連接到監(jiān)控主機(jī)的USB插口。串口通信模塊采用PL2303芯片，它是Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 定位算法原理

當(dāng)無線信號在空間傳播時(shí)，信號強(qiáng)度(RSSI)會隨著傳輸距離的增大而減小，信號強(qiáng)度的變化規(guī)律有理論上的公式進(jìn)行計(jì)算?；谶@樣的原理可以在需要定位的區(qū)域內(nèi)設(shè)置一些錨節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)采用固定位置的節(jié)點(diǎn)，它的位置是預(yù)先可知固定不變的。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動時(shí)，通過節(jié)點(diǎn)附近的錨節(jié)點(diǎn)采集目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度，通過幾何的定位算法計(jì)算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息[4]。下面作具體分析。

無線信號在空間傳播時(shí)，信號強(qiáng)度(RSSI)隨傳輸距離的變化公式為：

(1)

公式中，P0為參考信號的強(qiáng)度；d0為參考信號強(qiáng)度對應(yīng)的傳輸距離；n為路徑衰減指數(shù)；P為接收信號強(qiáng)度。路徑衰減指數(shù)n通常與信號傳輸環(huán)境相關(guān)。

在一般情況下，參考信號強(qiáng)度取單位距離下的接收信號強(qiáng)度，即d0=1 m，這時(shí)的接收信號強(qiáng)度用A表示，簡化后的信號強(qiáng)度隨傳輸距離的變化公式為：

P=A-10nlnd

(2)

此時(shí)，如果測量出接收信號強(qiáng)度，就可以計(jì)算出距離：

(3)

當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離計(jì)算出來后，采用三邊測量法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在的位置。三邊測量法的原理是，在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與它通信范圍內(nèi)三個錨節(jié)點(diǎn)通信后，分別以錨節(jié)點(diǎn)為圓心，計(jì)算出的距離為半徑畫圓，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位于三圓的交點(diǎn)處，如圖5所示。

圖5 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)圖

如圖5，A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)為錨節(jié)點(diǎn)，P為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。設(shè)P點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y)，A點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1)，B點(diǎn)坐標(biāo)為(x2,y2)，C點(diǎn)坐標(biāo)為(x3,y3)，P點(diǎn)與A點(diǎn)的距離為r1，P點(diǎn)與B點(diǎn)的距離為r2，P點(diǎn)與C點(diǎn)的距離為r3。分別以A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)為圓心，r1、r2、r3為半徑畫圓，距離與坐標(biāo)的關(guān)系如式(4)所示。

(4)

通過求解方程，即可求出圓心坐標(biāo)。

3.2 錨節(jié)點(diǎn)程序

錨節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測通信范圍內(nèi)是否有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位請求，如果有，就把目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離錨節(jié)點(diǎn)的距離信息回復(fù)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，之后重新進(jìn)入監(jiān)測程序。

3.3 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)程序

目標(biāo)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送定位請求信息到附近的錨節(jié)點(diǎn)，如果有三個錨節(jié)點(diǎn)回復(fù)了距離信息，就進(jìn)行位置計(jì)算并把位置信息發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。如果沒有三個錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回復(fù)，就重新發(fā)送定位請求信息。

3.4 匯聚節(jié)點(diǎn)程序

匯聚節(jié)點(diǎn)需要監(jiān)測區(qū)域內(nèi)是否有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送位置信息，如果有，就通過串口將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)，之后重新進(jìn)入監(jiān)測程序。

3.5 監(jiān)控主機(jī)程序

監(jiān)控主機(jī)收集區(qū)域內(nèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，通過程序生成整個系統(tǒng)的位置信息圖。監(jiān)控主機(jī)為電腦端，采用VB進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)測試

測試的環(huán)境在20 m×20 m的室內(nèi)空曠區(qū)域，錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量從3個到10個變化，位置均勻分布。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量從12個到20個變化。下面分別從錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化兩個方面進(jìn)行對比。

4.1 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不變

目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為12個，錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量從3個到10個變化，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的平均定位誤差如表1所示。

表1 錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量與平均定位誤差關(guān)系

從表1可以看出，隨著錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，平均定位誤差有所減小。當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加到6個以后，平均定位誤差減小的趨勢不明顯。所以我們?nèi)″^節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為6。

4.2 錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量不變

錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為6個，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量從12個到20個變化，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的平均定位誤差如表2所示。

表2 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量與平均定位誤差關(guān)系

從表2可以看出，隨著目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，平均定位誤差有所增加。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加到15個以后，平均定位誤差增加的趨勢明顯。所以我們?nèi)∧繕?biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為15。

4.3 測試數(shù)據(jù)分析

從以上兩方面測試可以看出，在20 m×20 m的空間范圍內(nèi)，錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量為6，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量在不超過15個的前提下定位精度較高。此應(yīng)用模型可以進(jìn)行縮小或放大，可在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)，通過錨節(jié)點(diǎn)的固定位置信息，可以方便地確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息并在監(jiān)控主機(jī)上顯示出來。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，系統(tǒng)的定位精度較高，具有巨大的推廣價(jià)值。