《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)定位技術(shù)研究
摘要: 本文詳細(xì)介紹了無線傳感器定位系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),該定位系統(tǒng)可以充分利用軟件方法實(shí)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(shí)際測試結(jié)果表明:該定位系統(tǒng)是切實(shí)可行的,并且實(shí)現(xiàn)簡便。
Abstract:
Key words :

關(guān)鍵字:ZigBee 無線傳感器網(wǎng) 定位技術(shù)

      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),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(diǎn),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CC243l,在典型應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)3~5 m定位精度和0.25 m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。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805l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、AESl28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(diǎn)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l所示。無線傳感器定位系統(tǒng)中包括3類節(jié)點(diǎn):協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)位置已知,盲節(jié)點(diǎn)利用已知參考節(jié)點(diǎn)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(jì)過程包括3個方面:硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)為系統(tǒng)提供定位硬件平臺,定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要完成無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)傳輸流程,上位機(jī)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。

  3 WSN定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

  3.1 總體設(shè)計(jì)

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

 

  圖2定位結(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖

  3.2 硬件實(shí)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(jì)過程,省去了單片機(jī)和無線收發(fā)器件之間接口電路的設(shè)計(jì),縮短了研發(fā)周期。

 

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  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0.35μm。無線測試模塊PCB制作無特殊要求。

  4 定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

  無線傳感器定位網(wǎng)絡(luò)中存在3種功能類型的節(jié)點(diǎn),分別為網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器)、參考節(jié)點(diǎn)(路由器)和盲節(jié)點(diǎn)(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(jī)發(fā)出的命令,開啟網(wǎng)絡(luò),等待其他類型節(jié)點(diǎn)入網(wǎng),其次還要接收各節(jié)點(diǎn)反饋的有效數(shù)據(jù)并傳輸給上位機(jī)軟件處理。參考節(jié)點(diǎn)是一類靜止的已知自身位置的節(jié)點(diǎn),它的任務(wù)是接收帶RSSI(Received Signal Strength Indicator)值的信息包并計(jì)算RSSI平均值,最終在盲節(jié)點(diǎn)打包各RSSI平均值后,將其發(fā)送給網(wǎng)關(guān),傳回上位機(jī)監(jiān)控軟件處理。盲節(jié)點(diǎn)是一類可移動的節(jié)點(diǎn),可在參考節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動。盲節(jié)點(diǎn)向周圍空間廣播RSSI簇,并接收一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。圖3為整體傳感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程。

  圖3 感器網(wǎng)絡(luò)定位通信網(wǎng)流程

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

 

  圖4 盲節(jié)定點(diǎn)位流程

  

  圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)定點(diǎn)位流程

  5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

  5.1 上位機(jī)功能及其實(shí)現(xiàn)

  無線傳感器定位系統(tǒng)上位機(jī)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(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)信息,用戶自行配置參考節(jié)點(diǎn)并在工程中設(shè)置參考點(diǎn)號,在定位區(qū)域示意圖中標(biāo)示參考節(jié)點(diǎn)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(jìn)行通信,PC機(jī)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(diǎn)讀出的信息進(jìn)行定位并顯示和保存定位結(jié)果。

 

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    上位機(jī)功能實(shí)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(diǎn)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(jī)實(shí)現(xiàn)流程

  5.2 定位算法選取

  基于接收信號強(qiáng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的位置確認(rèn)。

  基于場地信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫的算法,就室內(nèi)定位而言,要實(shí)現(xiàn)精確定位,最直接的方法是建立待定位場地的信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫,通過數(shù)值比對確定盲節(jié)點(diǎn)位置。但數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建費(fèi)時費(fèi)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(diǎn)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(jìn)行適當(dāng)融合。每種算法都有它的優(yōu)缺點(diǎn),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(xì)介紹了無線傳感器定位系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),該定位系統(tǒng)可以充分利用軟件方法實(shí)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(shí)際測試結(jié)果表明:該定位系統(tǒng)是切實(shí)可行的,并且實(shí)現(xiàn)簡便。

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