基于DSP相關(guān)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位設計

作者/ 劉洲洲^1,2 張亞杰² 1.西安航空學(xué)院(陜西 西安 710077) 2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院(陜西 西安 710072)

摘要：為了實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)內部、節點(diǎn)與節點(diǎn)之間的有效通信，在采用Atmel公司的ATZB-900-B0在無(wú)線(xiàn)通信硬件模塊和IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議棧的基礎上，根據定位網(wǎng)絡(luò )的應用需求以及數據命令的用途，制定節點(diǎn)消息格式、消息類(lèi)型和消息內容，明確消息的具體走向，確定節點(diǎn)的應用層框架結構。通過(guò)超聲波相關(guān)的測距定位算法來(lái)對網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的測距性能和定位系統性能進(jìn)行實(shí)驗分析。定位實(shí)驗結果表明，節點(diǎn)的平均定位誤差為0.27m，最大定位誤差為0.76m。

引言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network, WSN)具有信息采集、傳輸、處理的功能和動(dòng)態(tài)的拓撲結構。微小型傳感器節點(diǎn)具有計算能力、通信能力，將其部署在監控區域內，構成可以自主完成自組織特定任務(wù)的WSN智能網(wǎng)絡(luò )信息系統^[1]，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)在監控區域內實(shí)現自定位。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)不僅要能夠實(shí)現自身定位，還要能夠在監控區域內出現入侵者時(shí)，有效地安排適當的節點(diǎn)來(lái)消滅入侵者，起到自主防御的作用。

　　當前，國內外的高校、科研機構以及其他組織已經(jīng)開(kāi)發(fā)出很多成熟的WSN定位系統。如Active Badge、Active Bat系統、AHLos系統、SpiderBat系統等^[2-3]。其中，國內關(guān)于定位方法和技術(shù)的研究比較多，國外的研究開(kāi)展的比較早，很多定位系統已經(jīng)走出實(shí)驗室，投入商業(yè)化應用。但仍存在節點(diǎn)測距范圍有限、定位精度不高等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前，常用的定位技術(shù)主要是基于紅外測距、RSSI檢測、聲波以及超聲波測距的定位技術(shù)，主要是室內環(huán)境中應用。紅外信號的穿透性差，容易受到環(huán)境因素的影響，傳輸距離短，需要大量的傳感器節點(diǎn)，定位系統的成本較高。因此，在完成測距定位的同時(shí)，開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用、操作便捷的定位監控系統也非常重要^[4-7]。

　　針對上述問(wèn)題，本文以節點(diǎn)高精度系統定位為目標，研究基于DSP的相關(guān)定位技術(shù)，設計并實(shí)現了基于超聲波相關(guān)檢測定位系統，系統界面友好，可以為WSN提供更好的節點(diǎn)自身定位服務(wù)支持。

1 定位系統結構

　　根據定位系統的實(shí)際要求，設計了WSN定位系統，系統的基本結構如圖1所示。該系統主要由兩部分組成：定位網(wǎng)絡(luò )和監控系統。定位網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的位置隨機進(jìn)行部署，其位置不確定，節點(diǎn)通過(guò)超聲波相關(guān)測距技術(shù)，使用相關(guān)檢測算法計算節點(diǎn)之間的距離，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將距離信息轉發(fā)傳遞至Sink節點(diǎn)。上位機監控系統部分又分為Sink節點(diǎn)信息處理和終端界面顯示兩個(gè)子部分，Sink節點(diǎn)根據收集到的節點(diǎn)距離信息來(lái)計算節點(diǎn)的坐標位置，終端界面顯示網(wǎng)絡(luò )拓撲結構及節點(diǎn)坐標。

1.1 傳感器節點(diǎn)架構

　　根據具體應用場(chǎng)景的不同，節點(diǎn)的總體框架主要由DSP、RAM、ATZB-900-B0無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、射頻收發(fā)天線(xiàn)、溫度測量模塊、A/D采樣模塊、超聲波收發(fā)電路以及電源模塊組成。本設計中無(wú)線(xiàn)數據通信模塊選用Atmel公司的ATZB-900-B0模塊，它是一個(gè)靈敏度高、功耗低、超緊湊型的IEEE 802.15.4/ZigBee模塊。定位系統的網(wǎng)絡(luò )組建以及節點(diǎn)間的消息傳輸都是通過(guò)ZigBee技術(shù)來(lái)實(shí)現的。

1.2 節點(diǎn)傳感器模塊

　　超聲波測距傳感器是一種以超聲波為載體的微小型測距雷達，其具有結構簡(jiǎn)單、體積小、能耗低、信息處理簡(jiǎn)單可靠、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，不受光照、電磁、粉塵以及煙霧等因素的干擾[8]。為了解決單一超聲波傳感器方向指向性唯一的問(wèn)題，本文采用六元陣列[9-12]的方法，將六組超聲波收發(fā)探頭均勻分布在正六邊形的邊上，如圖2所示，保證超聲信號的二維平面全向收發(fā)。

1.3 節點(diǎn)處理器模塊

　　由于節點(diǎn)要在野外環(huán)境中，無(wú)法進(jìn)行電源的供給，節點(diǎn)需要保持盡可能長(cháng)時(shí)間的工作狀態(tài)或者處于待機狀態(tài)，這也就要求處理器的能量消耗要盡可能小，延長(cháng)節點(diǎn)的壽命。所以選取高性能、低功耗的控制器在節點(diǎn)設計中至關(guān)重要。TMS320C6748TM DSP是TI公司生產(chǎn)的一款新型低功耗浮點(diǎn)型DSP處理器，屬于C6000系列，采用了超長(cháng)指令字(Very Long Instruction Word, VLIW)結構，為DSP的高效運行提供了保障。它融合了TMS320C67xTM DSP 和TMS320C64xTM DSP 的指令集架構，支持DSP的高數字信號處理性能和精簡(jiǎn)指令計算機(Reduced Instruction Set Computer, RISC)技術(shù)，滿(mǎn)足當前的應用場(chǎng)景需求。除高速處理能力、極低的功耗以及豐富的外設接口外，還具有音頻、視頻等多媒體能力以及高速STAT硬盤(pán)和SD接口的外部存儲器接口等，由于這些不是本論文關(guān)注的焦點(diǎn)，在此不贅述。

2 節點(diǎn)通信消息設計

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò )中，采用ZigBee通信協(xié)議時(shí)，節點(diǎn)被分為Coordinator、Router以及End Device三種。Coordinator負責系統的初始化工作，選擇網(wǎng)絡(luò )的信道等參數建立網(wǎng)絡(luò )，供其他節點(diǎn)加入;Router負責節點(diǎn)之間命令消息的路由轉發(fā)實(shí)現;End Device負責任務(wù)是消息的發(fā)送和接收，只能和父節點(diǎn)進(jìn)行數據通信，不具有路由轉發(fā)的功能。在本系統中，Sink節點(diǎn)主要負責監控網(wǎng)絡(luò )的建立、上位機命令的分析處理和操作、數據的收集等任務(wù)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的數據存儲和處理中心，在上位機和監控網(wǎng)絡(luò )之間起到橋梁的作用，是系統應用中的Coordinator。監控網(wǎng)絡(luò )區域內的待定位節點(diǎn)要具備消息轉發(fā)與路由其他節點(diǎn)的能力，需要可以給所有節點(diǎn)發(fā)送消息，也可以接收到所有節點(diǎn)的消息，是系統應用中的Router。每個(gè)節點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊和主控DSP模塊組成，同一節點(diǎn)的兩個(gè)模塊之間通過(guò)UART總線(xiàn)進(jìn)行通信。節點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)RF射頻方式進(jìn)行通信。Sink節點(diǎn)與上位機使用UART總線(xiàn)進(jìn)行通信，未知節點(diǎn)的通信方式中并不包含該通信方式。節點(diǎn)的通信方式如圖3所示。

2.1 Sink節點(diǎn)任務(wù)設計

　　Sink節點(diǎn)(Coordinator)的任務(wù)主要包括節點(diǎn)的初始化、建立網(wǎng)絡(luò )以及應用層任務(wù)命令。這里將Sink節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)模塊和DSP模塊看作一個(gè)整體，Sink節點(diǎn)程序流程圖如圖4所示。應用層任務(wù)命令包括檢測和分析上位機下發(fā)的命令以及根據上位機命令做出相應的處理操作。應用層命令主要是Sink節點(diǎn)分別和上位機、定位網(wǎng)絡(luò )之間的交互。

3 定位系統實(shí)驗及結果分析

　　節點(diǎn)的測距性能主要通過(guò)節點(diǎn)的測距精度直觀(guān)反映，而節點(diǎn)的測距性能又直接影響系統的定位性能。本文對已經(jīng)研究設計的定位節點(diǎn)進(jìn)行一系列的測距定位實(shí)驗。首先進(jìn)行節點(diǎn)的測距性能實(shí)驗，然后進(jìn)行節點(diǎn)的定位性能實(shí)驗。本實(shí)驗的實(shí)測環(huán)境是實(shí)驗室外走廊，實(shí)驗場(chǎng)景如圖5所示，實(shí)驗環(huán)境溫度為14~18℃，使用一個(gè)Sink節點(diǎn)和兩個(gè)未知節點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗。通過(guò)多次測量，取測量結果的平均值作為最終結果的方式來(lái)減小測距誤差。實(shí)驗過(guò)程中，Sink節點(diǎn)可以自由移動(dòng)，以無(wú)線(xiàn)方式控制兩個(gè)未知節點(diǎn)進(jìn)行測距。Sink節點(diǎn)通過(guò)串口線(xiàn)與PC端連接，使用上位機軟件進(jìn)行命令的發(fā)送和距離測量數據的收集顯示。將一個(gè)未知節點(diǎn)設置為超聲信號接收節點(diǎn)，放置在一個(gè)固定的位置;另一個(gè)設置為超聲信號源節點(diǎn)，等間距移動(dòng)測量。超聲信號源節點(diǎn)從距離接收節點(diǎn)1m處開(kāi)始測量，每隔1m進(jìn)行一組測量，每個(gè)測量點(diǎn)測50次，取這50次測距結果的平均值作為該測量點(diǎn)的測距結果。

4 結束語(yǔ)

　　本文設計了節點(diǎn)的通信方式及消息，在統一的消息格式內，根據所要執行的任務(wù)的不同，具體設計各種應用消息;其次，根據系統需求和節點(diǎn)類(lèi)型的不同，設計并說(shuō)明了不同節點(diǎn)的程序流程;同時(shí)設計了良好的人機交互定位界面;最后，對網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的測距性能和定位性能進(jìn)行實(shí)驗分析，驗證了系統基本滿(mǎn)足對測距范圍和測距精度要求和節點(diǎn)定位的技術(shù)要求。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第32頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。