無線傳感器定位

1、無線傳感器定位節(jié)點(diǎn)硬件定位是無線傳感器(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(shí)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(gè)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。WSN定位概述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CC2431 ,在典型應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn) 35 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

2、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(jiǎn)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(shí)器Timer、 AESl28協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式，定時(shí)器上電復(fù) 位電路以及外部21個(gè)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)

3、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。圖1定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一個(gè)完整的無線傳感器定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程包括 3個(gè)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(tái)，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(dòng)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(cè)試模塊設(shè)計(jì)。

4、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(cè)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。叵I千想通信模塊電池供電圖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(jiǎn)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。無線測(cè)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35. 5 V,該電路主要用于協(xié)調(diào)器與 PC之間的串口通信。對(duì)射頻電路來說，解決好器件問干擾問題是至關(guān)重要的。建議無線通信模 塊采用

5、PCB雙層板，頂層用于信號(hào)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(duì)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. 35pm。無線測(cè)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(gè)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

6、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(dòng)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(dòng)。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。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)參考節(jié)點(diǎn)盲節(jié)點(diǎn) TOC o 1-5 h z

7、 V-4I. 網(wǎng)絡(luò)速立 遒信正常.一一位置查詢請(qǐng)求:1I r#RSSl BlastlI R3S1請(qǐng)求信號(hào)RSSI請(qǐng)求信號(hào) J：I HYPERLINK l bookmark8 o Current Document I 一福號(hào)上,的 困王 舞圖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。入網(wǎng)成功收到位置查溝請(qǐng)求命令發(fā)送RSSI Blast發(fā)送RS31靖求命令等待芨收R$S【響應(yīng)命令一二%掇收周圍參考節(jié)點(diǎn)的平均RSSI一*_匯總所有的RSSI值并打包發(fā)送數(shù)據(jù)包到協(xié)調(diào)