【導(dǎo)讀】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）具有信息采集、傳輸、處理的功能和動態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。微小型傳感器節(jié)點(diǎn)具有計(jì)算能力、通信能力，將其部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，構(gòu)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(tǒng)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)自定位。
為了實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的有效通信，在采用Atmel公司的ATZB－900－B0在無線通信硬件模塊和IEEE 802．15．4 MAC協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，根據(jù)定位網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求以及數(shù)據(jù)命令的用途，制定節(jié)點(diǎn)消息格式、消息類型和消息內(nèi)容，明確消息的具體走向，確定節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層框架結(jié)構(gòu)。通過超聲波相關(guān)的測距定位算法來對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的測距性能和定位系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)的平均定位誤差為0．27m，最大定位誤差為0．76m。
引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）具有信息采集、傳輸、處理的功能和動態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。微小型傳感器節(jié)點(diǎn)具有計(jì)算能力、通信能力，將其部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，構(gòu)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(tǒng)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)自定位。無線傳感器節(jié)點(diǎn)不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)自身定位，還要能夠在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)入侵者時，有效地安排適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)來消滅入侵者，起到自主防御的作用。
當(dāng)前，國內(nèi)外的高校、科研機(jī)構(gòu)以及其他組織已經(jīng)開發(fā)出很多成熟的WSN定位系統(tǒng)。如Active Badge、Active Bat系統(tǒng)、AHLos系統(tǒng)、SpiderBat系統(tǒng)等。其中，國內(nèi)關(guān)于定位方法和技術(shù)的研究比較多，國外的研究開展的比較早，很多定位系統(tǒng)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，投入商業(yè)化應(yīng)用。但仍存在節(jié)點(diǎn)測距范圍有限、定位精度不高等關(guān)鍵技術(shù)問題。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(nèi)環(huán)境中應(yīng)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(jié)點(diǎn)，定位系統(tǒng)的成本較高。因此，在完成測距定位的同時，開發(fā)一個簡單實(shí)用、操作便捷的定位監(jiān)控系統(tǒng)也非常重要。
針對上述問題，本文以節(jié)點(diǎn)高精度系統(tǒng)定位為目標(biāo)，研究基于DSP的相關(guān)定位技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于超聲波相關(guān)檢測定位系統(tǒng)，系統(tǒng)界面友好，可以為WSN提供更好的節(jié)點(diǎn)自身定位服務(wù)支持。
一.定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)定位系統(tǒng)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了WSN定位系統(tǒng)，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由兩部分組成：定位網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控系統(tǒng)。定位網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置隨機(jī)進(jìn)行部署，其位置不確定，節(jié)點(diǎn)通過超聲波相關(guān)測距技術(shù)，使用相關(guān)檢測算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的距離，通過無線方式將距離信息轉(zhuǎn)發(fā)傳遞至Sink節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)部分又分為Sink節(jié)點(diǎn)信息處理和終端界面顯示兩個子部分，Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)收集到的節(jié)點(diǎn)距離信息來計(jì)算節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，終端界面顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。
1.傳感器節(jié)點(diǎn)架構(gòu)
根據(jù)具體應(yīng)用場景的不同，節(jié)點(diǎn)的總體框架主要由DSP、RAM、ATZB－900－B0無線傳輸模塊、射頻收發(fā)天線、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(shè)計(jì)中無線數(shù)據(jù)通信模塊選用Atmel公司的ATZB－900－B0模塊，它是一個靈敏度高、功耗低、超緊湊型的IEEE 802．15．4／ZigBee模塊。定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組建以及節(jié)點(diǎn)間的消息傳輸都是通過ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。
2.節(jié)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(dá)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、能耗低、信息處理簡單可靠、價格低廉的特點(diǎn)，不受光照、電磁、粉塵以及煙霧等因素的干擾。為了解決單一超聲波傳感器方向指向性唯一的問題，本文采用六元陣列的方法，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)。
3.節(jié)點(diǎn)處理器模塊
由于節(jié)點(diǎn)要在野外環(huán)境中，無法進(jìn)行電源的供給，節(jié)點(diǎn)需要保持盡可能長時間的工作狀態(tài)或者處于待機(jī)狀態(tài)，這也就要求處理器的能量消耗要盡可能小，延長節(jié)點(diǎn)的壽命。所以選取高性能、低功耗的控制器在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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，采用了超長指令字（Very Long Instruction Word， VLIW）結(jié)構(gòu)，為DSP的高效運(yùn)行提供了保障。它融合了TMS320C67xTM DSP 和TMS320C64xTM DSP 的指令集架構(gòu)，支持DSP的高數(shù)字信號處理性能和精簡指令計(jì)算機(jī)（Reduced Instruction Set Computer， RISC）技術(shù)，滿足當(dāng)前的應(yīng)用場景需求。除高速處理能力、極低的功耗以及豐富的外設(shè)接口外，還具有音頻、視頻等多媒體能力以及高速STAT硬盤和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。
二.節(jié)點(diǎn)通信消息設(shè)計(jì)
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用ZigBee通信協(xié)議時，節(jié)點(diǎn)被分為Coordinator、Router以及End Device三種。Coordinator負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化工作，選擇網(wǎng)絡(luò)的信道等參數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)，供其他節(jié)點(diǎn)加入；Router負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間命令消息的路由轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)；End Device負(fù)責(zé)任務(wù)是消息的發(fā)送和接收，只能和父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不具有路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能。在本系統(tǒng)中，Sink節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建立、上位機(jī)命令的分析處理和操作、數(shù)據(jù)的收集等任務(wù)，是整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)存儲和處理中心，在上位機(jī)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)之間起到橋梁的作用，是系統(tǒng)應(yīng)用中的Coordinator。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的待定位節(jié)點(diǎn)要具備消息轉(zhuǎn)發(fā)與路由其他節(jié)點(diǎn)的能力，需要可以給所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，也可以接收到所有節(jié)點(diǎn)的消息，是系統(tǒng)應(yīng)用中的Router。每個節(jié)點(diǎn)由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和主控DSP模塊組成，同一節(jié)點(diǎn)的兩個模塊之間通過UART總線進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)之間通過無線RF射頻方式進(jìn)行通信。Sink節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)使用UART總線進(jìn)行通信，未知節(jié)點(diǎn)的通信方式中并不包含該通信方式。節(jié)點(diǎn)的通信方式如圖3所示。
1.Sink節(jié)點(diǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)
Sink節(jié)點(diǎn)（Coordinator）的任務(wù)主要包括節(jié)點(diǎn)的初始化、建立網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)用層任務(wù)命令。這里將Sink節(jié)點(diǎn)的無線模塊和DSP模塊看作一個整體，Sink節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖4所示。應(yīng)用層任務(wù)命令包括檢測和分析上位機(jī)下發(fā)的命令以及根據(jù)上位機(jī)命令做出相應(yīng)的處理操作。應(yīng)用層命令主要是Sink節(jié)點(diǎn)分別和上位機(jī)、定位網(wǎng)絡(luò)之間的交互。
三.定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
節(jié)點(diǎn)的測距性能主要通過節(jié)點(diǎn)的測距精度直觀反映，而節(jié)點(diǎn)的測距性能又直接影響系統(tǒng)的定位性能。本文對已經(jīng)研究設(shè)計(jì)的定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一系列的測距定位實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的測距性能實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的定位性能實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)的實(shí)測環(huán)境是實(shí)驗(yàn)室外走廊，實(shí)驗(yàn)場景如圖5所示，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為14～18℃，使用一個Sink節(jié)點(diǎn)和兩個未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過多次測量，取測量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果的方式來減小測距誤差。實(shí)驗(yàn)過程中，Sink節(jié)點(diǎn)可以自由移動，以無線方式控制兩個未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測距。Sink節(jié)點(diǎn)通過串口線與PC端連接，使用上位機(jī)軟件進(jìn)行命令的發(fā)送和距離測量數(shù)據(jù)的收集顯示。將一個未知節(jié)點(diǎn)設(shè)置為超聲信號接收節(jié)點(diǎn)，放置在一個固定的位置；另一個設(shè)置為超聲信號源節(jié)點(diǎn)，等間距移動測量。超聲信號源節(jié)點(diǎn)從距離接收節(jié)點(diǎn)1m處開始測量，每隔1m進(jìn)行一組測量，每個測量點(diǎn)測50次，取這50次測距結(jié)果的平均值作為該測量點(diǎn)的測距結(jié)果。
四.結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)的通信方式及消息，在統(tǒng)一的消息格式內(nèi)，根據(jù)所要執(zhí)行的任務(wù)的不同，具體設(shè)計(jì)各種應(yīng)用消息；其次，根據(jù)系統(tǒng)需求和節(jié)點(diǎn)類型的不同，設(shè)計(jì)并說明了不同節(jié)點(diǎn)的程序流程；同時設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)交互定位界面；最后，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的測距性能和定位性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)基本滿足對測距范圍和測距精度要求和節(jié)點(diǎn)定位的技術(shù)要求。
