無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )用于監測系統中的定位算法

摘要：從硬件設計入手，介紹了自主設計的以片上系統(SOC)STM32W108為核心的WSN節點(diǎn)，在此基礎上采用了一種基于RSSI的加權質(zhì)心定位算法實(shí)現了節點(diǎn)的自定位。該算法將RSSI測距和質(zhì)心定位算法相結合，用測得的RSSI值作為質(zhì)心定位的加權因子，合理體現了不同錨節點(diǎn)對定位未知節點(diǎn)的約束力。通過(guò)測試證明，該定位方法在較少的通信開(kāi)銷(xiāo)情況下具有較高的定位精度，且易于實(shí)現。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；接收信號強度指示；節點(diǎn)定位；加權質(zhì)心定位

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )主要用于監測系統，大多數情況下，監測到的數據必須結合實(shí)際的位置信息才有價(jià)值，這些位置信息主要包括事件發(fā)生的位置和WSN節點(diǎn)的位置，節點(diǎn)的位置是定位事件發(fā)生位置的基礎。獲取節點(diǎn)位置信息最直接的方法是采用人工部署或GPS定位，但是對于大規模的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，由于成本的制約和應用條件的限制，以上兩種方法實(shí)現起來(lái)都不理想。因此有必要采取相應的定位算法措施來(lái)解決目前大多數應用場(chǎng)合對位置信息的需求。
依據是否需要通過(guò)測量節點(diǎn)的距離信息把定位方法分為兩類(lèi)：基于測距(rang—based)和不基于測距(rang—free)。前者是利用測量得到的距離或角度信息來(lái)進(jìn)行位置計算，主要有TOA、TDOA、AOA和RSSI；后者是利用節點(diǎn)的連通性和多跳路由信息交換等方法來(lái)估計節點(diǎn)間的距離或角度，并完成位置估計，主要有DV—Hop、質(zhì)心算法等。兩類(lèi)定位算法各有優(yōu)點(diǎn)，相比之下，基于距離的定位算法測量精度較高但是需要額外的硬件，不基于距離的定位算法對硬件要求較低但是定位誤差較大。本設計在自主設計的節點(diǎn)硬件基礎上，采用了將RSSI測距和質(zhì)心定位方法結合起來(lái)，實(shí)現了節點(diǎn)的自定位，避免了使用單一定位方法的不足，提高了定位精度。

1 WSN節點(diǎn)硬件設計
1．1 節點(diǎn)設計方案的確定
WSN節點(diǎn)設汁有兩種方式：一種是NCP(network eoprocessor)——核心處理器和Zigbee網(wǎng)絡(luò )處理器分開(kāi)，另一種是SOC(system on chip) ——使用包含無(wú)線(xiàn)射頻功能的核心處理器。傳統的設計大部分采用了NCP的方式，這種方式的優(yōu)勢在于應用程序和Zigbee協(xié)議間可以分開(kāi)設計，核心處理器的選擇很靈活，可以是8位的單片機，也可以是運行嵌入式操作系統的高級ARM，但是由于需要兩個(gè)處理器，就意味著(zhù)增加了成本，且增加了節點(diǎn)的功耗，對于電池供電的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，增大了功耗就使得整的網(wǎng)絡(luò )的壽命減少。而SOC的方式，大大減小了功耗和成本，且隨著(zhù)芯片工藝的進(jìn)步，SOC內部的資源已經(jīng)不再是限制其使用的瓶頸。故本設計采用了SOC的方式，選用了意法半導體最新推出的射頻SOC—STM32W108。
1．2 STM32W108簡(jiǎn)介
STM32W108是意法半導體推出的一款WSN專(zhuān)SOC。該芯片采用32位ARM Cortex—M3內核，具有較強的處理能力，內部集成了符合IEEE80 2．15．4標準的2．4 GHz射頻收發(fā)器，且芯片內部帶有功率放大器，最大輸出功率可達7 dB，芯片內部同化了Zigbee 2007 Pro協(xié)議棧，用戶(hù)根據ST官網(wǎng)提供的API函數就可實(shí)現Zigbee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間數據的收發(fā)。
1．3 節點(diǎn)硬件設計
實(shí)際設計中，選用了由上海沁科公司基于STM32W108生產(chǎn)的Zigbee模塊——EMZ3018A，該模塊采用了類(lèi)似郵票孔的焊盤(pán)，可以很方便的焊接在PCB板上。圍繞著(zhù)該模塊實(shí)現了外圍電路的設計，主要包括：電源模塊、SD卡存儲模塊、藍牙模塊、接口擴展模塊，下面分別進(jìn)行詳細介紹：
(1)電源模塊
由于STM32W108的工作電壓要求是2．1～3．6 V，而SD卡和藍牙模塊要求是33 V供電，故選擇了3．3 V輸出的低壓差線(xiàn)性穩壓芯片SP620 1-3．3，它的輸出電流能達到200 mA，滿(mǎn)足節點(diǎn)正常工作的需要，而且僅需要300 mV的壓差，3．6 V的鋰電池即可滿(mǎn)足要求。電源電路如圖1所示。

(2)存儲模塊
考慮到節點(diǎn)在后期的實(shí)際監測中需要存儲大量的數據，一般的存儲芯片容量較小且價(jià)格較高，故本設計選用了大容量的存儲設備SD卡，而且SD卡支持FAT32文件系統，存儲的數據可以直接在PC上瀆取，實(shí)際應用中方便人工現場(chǎng)取數。同時(shí)SD卡支持SPI接口，操作方便。電路如圖2所示。

(3)藍牙模塊
藍牙模塊只在中心節點(diǎn)上安裝，主要是為網(wǎng)關(guān)與中心節點(diǎn)通信服務(wù)的。本設計選用的是BMX藍牙模塊，其操作很方便，通過(guò)串口和STM32 W108連接，網(wǎng)關(guān)通過(guò)藍牙配對成功后即可實(shí)現和中心節點(diǎn)的數據透傳。藍牙模塊電路如圖3所示。

(4)接口擴展模塊
考慮到節點(diǎn)的體積和實(shí)際應用中的不同需求因而選用不同的傳感器，故將I2C接口、SPI接口、和STM32W108的內部12位AD的6路接口引出來(lái)，做成插針?lè )庋b。使用時(shí)，在PCB上焊接雙排插針母座，然后根據需要單獨做出傳感器板插接到節點(diǎn)上，即可實(shí)現大部分傳感器的采集。