無線傳感器網絡（WSN）定位系統設計

關 亮 ， 張開龍， 李同松

（1.中國人民解放軍69016部隊，新疆烏魯木齊830001；2.普天信息技術研究院有限公司北京100080）

定位是無線傳感器（WSN）網絡重要的支撐技術，具有廣泛的應用。ZigBee技術則是一種近距離、低功耗、低數據傳輸率、低成本的雙向無線通信技術[1]，可以嵌入到各種設備中，同時支持地理定位功能。將ZigBee技術應用于無線傳感器網絡中是現今研究的一個重點，相關定位技術的研究和應用也受到人們廣泛的關注。

1 WSN定位概述

1.1 WSN定位研究現狀

無線傳感器的廣泛應用使其定位技術得到快速發展。TI公司推出一款帶硬件定位引擎的片上系統（SoC）解決方案CC2431，在典型應用中可實現3～5m定位精度和0.25m的分辨率，由于定位算法被固化，導致其應用缺少靈活性[2]。另一方面，利用普通無線收發器件結合軟件算法的定位受到了廣泛關注。

1.2 CC2430簡介

CC2430[3]是TI公司推出的一款2.4 GHz射頻系統單芯片。該器件內部集成有ZigBee射頻前端，內存和微控制器。微控制器使用的8051內核，內部具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含A/D轉換器、定時器Timer、AES128協同處理器、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規定的CSMA-CA功能。CC2430自身資源豐富和低功耗、低成本的特點使得其非常適用于無線傳感器網絡中。

2 定位系統網絡結構圖

系統體系結構如圖1所示。無線傳感器定位系統中包括3類節點：協調器、參考節點和盲節點。參考節點位置已知，盲節點利用已知參考節點信息，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設計過程包括3個方面：硬件節點設計、定位節點軟件設計和上位機軟件設計。硬件設計為系統提供定位硬件平臺，定位節點軟件設計主要完成無線收發模塊的數據傳輸流程，上位機軟件接收無線采集數據，利用特定算法完成定位，并動態顯示定位結果。

圖1 定位系統網絡結構

3 WSN定位節點硬件設計

3.1 總體設計

定位節點硬件設計框架如圖2所示。硬件設計分為兩部分：無線通信模塊設計和無線測試模塊設計。無線通信模塊為節點間的無線數據提供接口，它是節點核心部分。無線測試模塊通過RS232串口轉換電路實現PC機與協調器節點間的數據傳輸。

圖2 定位節點硬件設計框圖

3.2 硬件實現

無線通信模塊包括CC2430及其相關外圍電路。由于CC2430集8051內核與無線收發模塊于一體，從而簡化了電路設計過程，省去了單片機和無線收發器件之間接口電路的設計，縮短了研發周期[3]。

無線測試模塊的串口轉換電路采用MAX3232雙通道轉換器，工作電壓范圍為3～5.5 V，該電路主要用于協調器與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，在無布線的開放區域采用少量過孔相連到地。另外，務必使CC2430底部可靠接地。外圍器件尺寸盡量小，可使用0402規格阻容器件。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，板材介電常數為4.5，厚度為1 mm，敷銅厚度為0.35 μm。無線測試模塊PCB制作無特殊要求。

4 定位節點軟件設計

無線傳感器定位網絡中存在3種功能類型的節點，分別為網關（協調器）、參考節點（路由器）和盲節點（終端）。網關在整個系統中有著至關重要的作用，首先它要接收上位機發出的命令，開啟網絡，等待其他類型節點入網，其次還要接收各節點反饋的有效數據并傳輸給上位機軟件處理。參考節點是一類靜止的已知自身位置的節點，它的任務是接收帶RSSI（Received Signal Strength Indicator）值的信息包并計算RSSI平均值，最終在盲節點打包各RSSI平均值后，將其發送給網關，傳回上位機監控軟件處理。盲節點是一類可移動的節點，可在參考節點包圍的區域內任意移動。盲節點向周圍空間廣播RSSI簇，并接收一跳范圍內的參考節點平均RSSI值，打包收到的各平均RSSI值后，無線發送給協調器節點。圖3為整體傳感器網絡定位通信流程[4]。

圖3 感器網絡定位通信流程

考慮到網關節點除了組網和串口通信功能外，它可以作為參考節點使用，故只需要編寫兩種節點程序即可。網關節點特有的功能用虛線標出。各類節點工作流程如圖4和圖5所示。

5 上位機軟件設計

5.1 上位機功能及其實現

無線傳感器定位系統上位機監控軟件中，與定位相關的功能主要包括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域示意圖和配置參考節點坐標信息功能。定位信息處理完成參數采集、數據處理功能。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等格式的定位區域示意圖；2）配置參考節點信息，用戶自行配置參考節點并在工程中設置參考點號，在定位區域示意圖中標示參考節點位置；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和協調器間接口，通常使用串口與協調器進行通信，PC機向下發送命令信息，協調器向上讀取數據。2）區域定位，根據從參考節點讀出的信息進行定位并顯示和保存定位結果。

上位機功能實現流程如圖6所示。其中，系統初始化包括：定位區域示意圖加載、區域尺寸參數設置、參考節點位置設置和串口相關參數設置以及串口打開等功能。

圖6 上位機實現流程

5.2 定位算法選取

基于接收信號強度指示（RSSI）的算法，利用RSSI與距離之間的關系，在特定定位環境采集數據，對數據進行擬合，獲取二者關聯曲線，利用基于測距的定位算法實現未知節點的位置確認[5]。

基于場地信號強度數據庫的算法，就室內定位而言，要實現精確定位，最直接的方法是建立待定位場地的信號強度數據庫，通過數值比對確定盲節點位置。但數據庫的構建費時費力，室內環境改變（如室內設施移動了位置、改變了參考節點位置等）需要重新構建采樣數據庫。為了以較小代價獲得盡可能高的精度，可以將2種定位方法進行適當融合[6]。每種算法都有它的優缺點，根據具體應用需要選擇合適的算法。

6 結束語

本文詳細介紹了無線傳感器定位系統的軟硬件設計，該定位系統可以充分利用軟件方法實現較高的定位精度。降低對定位硬件的要求，使得無線傳感器定位系統維持在較低的成本上。從實際測試結果表明：該定位系統是切實可行的，并且實現簡便。

[1]ZigBeeAlliance．ZigBeespecification:ZigBeedocument 053474r06，Version 1．0[S]．2004．

[2]Texas Instruments．System-on-chip for 2．4GHz ZigBee/IEEE 802．15．4 with location engine[EB/OL]．（2007－06－15）．http://focus．ti．com．cn/cn/docs/prod/folders/print/cc2431．html．

[3]Texas Instruments．CC2430 data sheet[EB/OL]．（2007－06－15）．http://www．ti．com/cn/lit/gpn/cc2431．

[4]Texas Instruments．Z-Stack location profile user's guide[EB/OL]．2006．http://vast．uccs．edu/files/projects/traumagps_files/docs/chipcon/Z－Stack．pdf．

[5]王福豹，史龍，任豐原．無線傳感器網絡中的自身定位系統和算法[J]．軟件學報，2005，16（5）：857－868．

[6]孫佩剛，趙海，羅玎玎，等．智能空間中RSSI定位問題研究[J]．電子學報，2007，35（7）：1240－1245．