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

陳世文　劉睿強(qiáng)　王一男

摘 要： 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容易受到干擾，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)無法對(duì)預(yù)定位信息進(jìn)行有效控制，定位精度和定位效率均不高，故設(shè)計(jì)定位精度和定位效率均較高的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用CC2430芯片控制全局，對(duì)復(fù)位電路、調(diào)試電路和串口電路進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)。CC2430芯片利用差分控制方法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的預(yù)定位信息進(jìn)行控制，獲取預(yù)定位物體的最終定位信息。復(fù)位電路對(duì)傳入系統(tǒng)的預(yù)定位物體信息進(jìn)行分類，將預(yù)定位信息實(shí)時(shí)傳輸至串口電路，其自身狀態(tài)信息將傳輸至調(diào)試電路。調(diào)試電路對(duì)復(fù)位電路中的電流和元件能耗進(jìn)行調(diào)試，保障復(fù)位電路的正常運(yùn)行。串口電路通過協(xié)調(diào)器與CC2430芯片連接，實(shí)現(xiàn)預(yù)定位信息向CC2430芯片的高效、精準(zhǔn)傳輸。軟件給出系統(tǒng)定位函數(shù)，以及虛擬測量計(jì)算方法的定位流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)擁有較高的定位精度和定位效率。

關(guān)鍵詞： 系統(tǒng)改進(jìn)； 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)； CC2430芯片

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）24?0054?04

Design and research of improved node positioning system for wireless sensor network

CHEN Shiwen1， LIU Ruiqiang2， WANG Yinan3

（1. Nanjing College of Information Technology， Nanjing 210046， China；

2. College of Applied Electronics， Chongqing College of Electronic Engineering， Chongqing 401331， China；

3. Liaoning Shihua University， Fushun 113001， China）

Abstract： The wireless sensor network （WSN） node positioning system with high positioning accuracy and high positioning efficiency was designed to overcome the disturbance， control the preposition information effectively， and improve the positioning accuracy and positioning efficiency. CC2430 chip is used in the system for the global control. The reset circuit， debugging circuit and serial interface circuit were improved. The differential control method is adopted to control the preposition information generated in the system operation by means of the CC2430 chip， and get the final location information of the preposition object. The reset circuit is used to classify the preposition object information transmitted in the system， and transmit the preposition object information to the serial interface circuit in real time and its status information to the debugging circuit. The debugging circuit is used to debug the energy consumption of the components and the current in the reset circuit to ensure the normal operation of the reset circuit. The serial interface circuit is connected with the CC2430 chip through the coordinator to transmit the preposition information to the CC2430 chip efficiently and accurately. The system positioning functions， virtual measurement calculation method and positioning flow chart are given by software. The experiment results show that the designed system has high positioning accuracy and positioning efficiency.

Keywords： system improvement； wireless sensor network； positioning system； CC2430 chip

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以特定方式構(gòu)成的，在當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用較為廣泛，其擁有的數(shù)據(jù)采集、感應(yīng)、監(jiān)控等功能，使其在定位領(lǐng)域也取得了較好的成效[1?3]。相比GPS定位系統(tǒng)而言，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)更加穩(wěn)定，現(xiàn)已成為定位領(lǐng)域的新型替代品。但傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容易受到干擾，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)無法對(duì)預(yù)定位信息進(jìn)行有效控制，定位精度和定位效率均不高，科研組織已開始著手對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)[4?6]。

傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)均存在一些問題，如文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)“微塵”無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)，所謂“微塵”即是微型算法無線傳感器節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)將含有300個(gè)“微塵”節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在需要進(jìn)行定位的物體上，利用遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式對(duì)物體進(jìn)行定位，并獲取了較高的定位精度，但其硬件部分容易損壞且維修復(fù)雜。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)基于人體視覺的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的任務(wù)分配能力，能夠較好地利用人體視覺原理對(duì)物體進(jìn)行定位，定位效率較高，但系統(tǒng)的抗干擾能力較弱，導(dǎo)致其定位精度不高。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)數(shù)字化監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測需要定位物體的坐標(biāo)和狀態(tài)，并對(duì)不良干擾實(shí)施數(shù)字化報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)的定位精度較高，但由于監(jiān)測工作耗費(fèi)時(shí)間過長，導(dǎo)致其定位效率不高。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)基于軌跡繪制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)π枰ㄎ坏奈矬w進(jìn)行實(shí)時(shí)軌跡繪制，曾被用于各國戰(zhàn)爭中，并獲取了較高的評(píng)價(jià)，但其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，運(yùn)行成本較為昂貴。為了解決以上問題，設(shè)計(jì)一種擁有較高定位精度和定位效率的改進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)定位精度和定位效率均較高，較好地達(dá)成了設(shè)計(jì)初衷。

1 改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)雖整體性能不高，但其中一些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是具有較高的定位精度或定位效率的。所設(shè)計(jì)的改進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)利用這些系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其中不完善之處進(jìn)行改進(jìn)，提高系統(tǒng)的定位精度和定位效率。改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)，利用節(jié)點(diǎn)定位芯片控制全局，并對(duì)復(fù)位電路、調(diào)試電路和串口電路進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)。

1.1 節(jié)點(diǎn)定位芯片設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)定位芯片是改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)中的“管理階層”，節(jié)點(diǎn)定位芯片的性能影響整個(gè)系統(tǒng)的定位精度和定位效率。為此，所選節(jié)點(diǎn)定位芯片必須具有較強(qiáng)的控制準(zhǔn)確性和控制效率，可對(duì)預(yù)定位信息進(jìn)行有效控制，以提高系統(tǒng)定位精度和定位效率，且節(jié)點(diǎn)定位芯片的成本應(yīng)在普通使用者能夠承受的范圍之內(nèi)。

CC2430芯片是某境外公司設(shè)計(jì)的一款低成本、高性能、設(shè)計(jì)較為成熟的控制芯片，其能夠在不同類型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中正常工作，并對(duì)預(yù)定位物體的預(yù)定位信息進(jìn)行有效控制。CC2430芯片擁有高性能的射頻收發(fā)器和8051內(nèi)核，其最大閃存量為128 KB，并配置了多種類型的外設(shè)接口，能夠與外圍電路完美相連。為此，選取CC2430芯片作為改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)定位芯片，圖1是CC2430芯片內(nèi)部電路圖。

由圖1可知，CC2430芯片利用差分控制方法對(duì)改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的信息進(jìn)行控制，射頻收發(fā)器是這些信息的收發(fā)媒介。圖1中的低噪音放大器和縮減輸出器均位于射頻收發(fā)器中。在系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)定位信息的傳輸過程中，低噪音放大器首先將預(yù)定位信息進(jìn)行頻率放大，模擬調(diào)制器和數(shù)字調(diào)制器通過對(duì)電阻R1和R2進(jìn)行自動(dòng)增益控制，將放大后的預(yù)定位信息變?yōu)轭A(yù)定位數(shù)字信息，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。此后，預(yù)定位物體的最終定位信息便能夠非常清晰地浮現(xiàn)出來，對(duì)這些定位信息進(jìn)行提取，再經(jīng)由縮減輸出器縮減信息頻率，最終獲取到所需的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位信息。

1.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路能夠?qū)魅敫倪M(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)的預(yù)定位物體信息進(jìn)行分類，并將其中具有定位能力的預(yù)定位信息傳輸?shù)秸{(diào)試電路。復(fù)位電路見圖2。

由圖2可知，所設(shè)計(jì)的改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)根據(jù)定位信息具有的一些特性參數(shù)，對(duì)傳入其中的預(yù)定位物體信息進(jìn)行事前定義，為其中具有定位能力的預(yù)定位信息賦予低電壓和低電流。當(dāng)?shù)碗妷汉偷碗娏鬟M(jìn)入到復(fù)位電路中，R3上不會(huì)產(chǎn)生電流和電壓變化，電路則會(huì)產(chǎn)生低電平。而當(dāng)非低電壓和非低電流信息進(jìn)入復(fù)位電路，則會(huì)產(chǎn)生高電平。開關(guān)S1感應(yīng)到電路中的高電平后會(huì)自動(dòng)斷開連接，阻隔不具有定位能力信息的傳輸。CC2430芯片直接為開關(guān)S1提供開合指令。復(fù)位電路將所獲取到的預(yù)定位信息實(shí)時(shí)傳輸至串口電路，復(fù)位電路的自身狀態(tài)信息則將傳輸至調(diào)試電路進(jìn)行調(diào)試。

1.3 調(diào)試電路設(shè)計(jì)

由于復(fù)位電路的工作量較大，極易發(fā)生電路元件損壞的情況，故在改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入調(diào)試電路，保障復(fù)位電路的正常運(yùn)行。調(diào)試電路具有調(diào)試電路電流和元件能耗的作用，也是預(yù)定位信息的預(yù)處理中心，如圖3所示。

由圖3可知，所設(shè)計(jì)的改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)中的調(diào)制電路，擁有16個(gè)調(diào)試接口，其中的控制管理接口直接與CC2430芯片相連，CC2430芯片對(duì)調(diào)制電路的控制包括時(shí)鐘信息控制管理和傳輸驅(qū)動(dòng)。調(diào)試電路利用測試包測試復(fù)位電路中各元件的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)復(fù)位電路中電流和元件超負(fù)荷運(yùn)行，調(diào)試電路隨即利用傳輸驅(qū)動(dòng)端口向CC2430芯片發(fā)送控制請(qǐng)求，經(jīng)由CC2430芯片縮減傳入復(fù)位電路中的信息數(shù)量，達(dá)到調(diào)試超負(fù)荷狀態(tài)的目的，保障復(fù)位電路的正常運(yùn)行。

1.4 串口電路設(shè)計(jì)

串口電路可實(shí)現(xiàn)預(yù)定位信息向CC2430芯片的高效、精準(zhǔn)傳輸。傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)通常將串口電路與節(jié)點(diǎn)定位芯片直接相連，而在所設(shè)計(jì)的改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)中，串口電路則選用通過協(xié)調(diào)器連接CC2430芯片的方式，如圖4所示。

由圖4可知，串口電路選用6芯接口與CC2430芯片相連接。由于CC2430芯片與串口電路的信息參數(shù)不同，故在連接處加入兩個(gè)電容對(duì)預(yù)定位信息的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)器為該調(diào)節(jié)工作提供數(shù)字控制。

2 改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)定位函數(shù)是采用關(guān)聯(lián)計(jì)算方法求得的。關(guān)聯(lián)計(jì)算方法是一種能夠根據(jù)數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行分析、計(jì)算的方法。時(shí)延[D]是指信息從網(wǎng)絡(luò)的一端傳遞至另一端的同時(shí)，關(guān)聯(lián)計(jì)算方法通過計(jì)算預(yù)定位物體與無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延，將其乘以系統(tǒng)傳輸速率得出二者距離，進(jìn)而對(duì)預(yù)定位物體進(jìn)行準(zhǔn)確定位。由于系統(tǒng)傳輸速率為已知參數(shù)，故只需對(duì)時(shí)延[D]進(jìn)行求取，便能夠完成對(duì)預(yù)定位物體的定位。

用[x1（t）]，[x2（t）]表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到的兩種預(yù)定位物體信息，分別是預(yù)定位物體自身參數(shù)和預(yù)定位物體外界干擾參數(shù)；[S（t）]表示源信息；[n1（t）]，[n2（t）]表示加性干擾。由于[S（t）]和[n1（t）]，[n2（t）]均滿足正態(tài)平穩(wěn)隨機(jī)函數(shù)，其均值和方差分別為0和1，且互不干擾，則預(yù)定位物體信息的函數(shù)表達(dá)式為：

式中，[Rs]代表改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)度函數(shù)，該值處于特定范圍中。由于[Rs（τ-D）≤Rs（0）]，故當(dāng)[Rs（τ=D）]取最大值時(shí)，[τ=D]，此時(shí)便可獲取預(yù)定位物體的時(shí)延[D]。

為了確保所計(jì)算出的時(shí)延[D]的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行兩次計(jì)算，將兩次計(jì)算結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)后，將二者的平均值作為預(yù)定位物體的定位目標(biāo)函數(shù)。改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)的第二次計(jì)算采用虛擬測量計(jì)算方法，圖5為虛擬測量計(jì)算方法的定位流程。

由圖5可知，虛擬測量計(jì)算方法將預(yù)定位物體安置在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特定節(jié)點(diǎn)上，測量出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上預(yù)定位物體節(jié)點(diǎn)時(shí)延[D1]，再將預(yù)定位物體的位置還原，此時(shí)的時(shí)延[D]可用式（3）表示：

[D=cvΔT+D1] （3）

式中：[cv]為還原點(diǎn)距無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的距離；[ΔT]為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的預(yù)定位物體與還原點(diǎn)之間的時(shí)延參數(shù)。

預(yù)定位物體的定位結(jié)果受環(huán)境干擾較大，軟件根據(jù)這一特性給出定位結(jié)果改進(jìn)函數(shù)[c]為：

[c=DTrM] （4）

式中：[M]代表預(yù)定位物體環(huán)境中干擾因素的分子量；[r]和[T]分別代表其比熱和溫度。利用式（4）對(duì)兩次定位結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，再求取定位結(jié)果的平均值，將其乘以系統(tǒng)傳輸速率，即可得出最終的定位結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 定位精度驗(yàn)證

在對(duì)本文系統(tǒng)定位精度的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，選擇5個(gè)不同坐標(biāo)點(diǎn)的預(yù)定位物體，利用本文系統(tǒng)、數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)和軌跡繪制系統(tǒng)對(duì)這5個(gè)物體同時(shí)進(jìn)行定位。實(shí)驗(yàn)中，干擾因素的干擾時(shí)間和強(qiáng)度均隨機(jī)加入。表1描述的是預(yù)定位物體實(shí)際坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)表，表2描述的是三個(gè)系統(tǒng)定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。

由表1、表2可知，若直接將兩表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，所得的精度驗(yàn)證結(jié)果并不會(huì)產(chǎn)生明顯對(duì)比，故將三個(gè)系統(tǒng)的定位精度計(jì)算出來，定位精度[u]的計(jì)算公式為：

[u=D2-D1D1×100%] （5）

式中：[D1]表示物體實(shí)際坐標(biāo)值；[D2]表示系統(tǒng)定位結(jié)果。將計(jì)算出的定位精度結(jié)果匯總成曲線圖，如圖6所示。

由圖6可知，本文系統(tǒng)的定位精度曲線始終低于另外兩個(gè)系統(tǒng)的定位精度曲線，維持在[4.2%，5.9%]的范圍內(nèi)，即本文系統(tǒng)的定位精度較比傳統(tǒng)的數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)、軌跡繪制系統(tǒng)定位精度而言獲取了較大的提高，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)具有較高的定位精度。

3.2 定位效率驗(yàn)證

將以上三個(gè)系統(tǒng)輸出定位結(jié)果的時(shí)間進(jìn)行記錄，如表3所示。

表3 三個(gè)系統(tǒng)定位時(shí)間統(tǒng)計(jì)表 s

由表3可知，系統(tǒng)定位時(shí)間由長到短的順序依次是數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)、軌跡繪制系統(tǒng)、本文系統(tǒng)。由上述結(jié)果能夠非常明確地得出，本文系統(tǒng)具有較高的定位效率。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)改進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用CC2430芯片控制全局，對(duì)復(fù)位電路、調(diào)試電路和串口電路進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)。CC2430芯片利用差分控制方法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的預(yù)定位信息進(jìn)行控制，獲取預(yù)定位物體的定位信息。復(fù)位電路對(duì)傳入系統(tǒng)的預(yù)定位物體信息進(jìn)行分類，將預(yù)定位信息實(shí)時(shí)傳輸至串口電路，其自身狀態(tài)信息將傳輸至調(diào)試電路。調(diào)試電路對(duì)復(fù)位電路中的電流和元件能耗進(jìn)行調(diào)試，保障復(fù)位電路的正常運(yùn)行。串口電路通過協(xié)調(diào)器與CC2430芯片連接，實(shí)現(xiàn)預(yù)定位信息向CC2430芯片的高效、精準(zhǔn)傳輸。軟件給出系統(tǒng)定位函數(shù)，以及虛擬測量計(jì)算方法的定位流程圖。實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)擁有較高的定位精度和定位效率。

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