基于短距離無線通信技術(shù)實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)定位系統(tǒng)的應(yīng)用方案

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs（Wireless Sensor Networks）被廣泛應(yīng)用于環(huán)境探測、天氣預(yù)報、安全、監(jiān)控以及分布式計算和目標(biāo)區(qū)域成像等領(lǐng)域，在軍事、醫(yī)療和民用等方面的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器監(jiān)測信息中所包含的重要信息，沒有位置的監(jiān)測消息往往是毫無意義的。因此，確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵作用。

ZigBee技術(shù)是一個具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在全球通用的ISM（Industrial Scientific and Medical）免付費頻段2.4 GHz上，其數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kb/s，劃分為16個信道。與藍(lán)牙或802.11等同屬于短距離無線通信的技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)具有先天優(yōu)勢。ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示的功能。同時，由于采用了碰撞避免機(jī)制（CSMA-CA），避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的沖突。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，采用了密鑰長度為128 bit的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理，保證了數(shù)據(jù)傳輸時的高可靠性和安全性。用ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性價比高、放置靈活、擴(kuò)展簡便、成本低、功耗低、安全可靠，這種新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將有廣泛的應(yīng)用前景。

1 無線傳感網(wǎng)定位系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計思想

本系統(tǒng)的主要設(shè)計思想是：先在監(jiān)測區(qū)域布置一定的參考節(jié)點，參考節(jié)點的作用是在定位過程中起參考點的作用，不參與定位；移動節(jié)點就是定位節(jié)點，通過參考節(jié)點來確定自己的位置；網(wǎng)關(guān)節(jié)點一方面配置參考節(jié)點的位置信息，同時接收移動節(jié)點的位置信息發(fā)送給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和控制。系統(tǒng)框圖如圖1。

1.2 硬件設(shè)計

1.2.1 節(jié)點硬件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。由于在本設(shè)計中主要考慮定位，所以傳感器模塊只是為了以后擴(kuò)展用的。圖2是一般節(jié)點（作為參考節(jié)點或者移動節(jié)點）的原理框圖。

由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點要和PC機(jī)或者Web服務(wù)器連接，所以要帶串口。網(wǎng)關(guān)節(jié)點原理如圖3。

本系統(tǒng)節(jié)點有參考節(jié)點、移動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點3種。下面介紹節(jié)點系統(tǒng)的組成。

（1）處理器芯片

CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，能滿足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。CC2431定位引擎基于接收信號強(qiáng)度指示RSSI（Received Signal Strength Indicator）技術(shù)，根據(jù)接收信號強(qiáng)度與已知參考節(jié)點位置準(zhǔn)確計算出有關(guān)節(jié)點位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端。相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能降低了網(wǎng)絡(luò)流量與通信延遲。

（2）傳感器芯片

SHT11是瑞士 Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領(lǐng)域，具有集成度高、接口簡單、測量精度高并可編程調(diào)節(jié)、封裝尺寸超小、可靠性高的特點。

（3）天線

天線設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，系統(tǒng)中其余模塊只是芯片的級聯(lián)，只有這一部分需要自己設(shè)計。由于射頻信號的頻率達(dá)到2.4 GHz，微波波長與傳輸線的長度已經(jīng)達(dá)到同等數(shù)量級。傳輸線末端的微波反射和駐波等問題不可忽視，否則會產(chǎn)生惡劣的影響。解決這些問題的關(guān)鍵在于傳輸線特征阻抗與天線阻抗的良好匹配與控制。

系統(tǒng)設(shè)計中使用了2種天線。一種是外接的2.4 G天線，通過SMA頭連接，市場上有成熟的外接天線；另一種是采用倒F型的微帶天線，其制作成本很低，微波饋線采用微帶傳輸線與敷銅底板的介質(zhì)板上的帶狀線相同，具有較好的微波傳輸特性和較低的傳輸損耗。

1.2.2 Web服務(wù)器硬件設(shè)計

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸主要是采用多跳實現(xiàn)的遠(yuǎn)距離傳輸，但是由于多跳的不穩(wěn)定性給數(shù)據(jù)傳輸帶來很大不便，同時使用串口的數(shù)據(jù)也不能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)控，本系統(tǒng)采用嵌入式Web服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)的方法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。圖4是Web服務(wù)器原理框圖。

（1）處理器芯片

S3C44B0是SAMSUNG公司推出的16/32 bit RISC處理器，為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。S3C44BOX使用ARM7TDMI內(nèi)核，采用0.25 μm CMOS工藝制造。它的低功耗和全靜態(tài)設(shè)計特別適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用。

（2）以太網(wǎng)接口

網(wǎng)絡(luò)接口芯片使用RTL8019AS，它符合NE2000，提供了自動檢測10BaseT集成收發(fā)器RJ45，有2種工作模式：8 bit的DMA（只能用芯片地址0x4000-0x5fff）和16 bit的DMA（可用到0x6000－7fff）。這里的地址只是指芯片內(nèi)的地址，而非總線地址。

RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片要模擬的網(wǎng)絡(luò)芯片內(nèi)部RAM共2塊：（1）0x0000－0x000B，12 B，頁號為0x00，存放MAC地址（奇數(shù)和偶數(shù)存放的MAC地址是一樣的，目的在于方便16 bit DMA讀?。＃?）0x4000－0x5FFF，8192 B，頁號為0x40－0x60（只用到0x5f，0x60為結(jié)束邊界），用于存放收發(fā)的數(shù)據(jù)包緩沖，具體收發(fā)多少由驅(qū)動程序初始化決定。至于發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)的大小可以根據(jù)具體需要決定。

以太網(wǎng)接口使用的是帶有變壓器的RJ45接口。

（3）USB接口

ISP1161為ISP1161A1的第一代芯片，也是業(yè)界第一款在單芯片內(nèi)集成USB主機(jī)端與USB設(shè)備端功能的產(chǎn)品，可提供點對點連接。它可以透過軟件控制扮演獨立型主機(jī)或設(shè)備，甚至同時兼具主機(jī)與設(shè)備的功能。它擁有一個16 bit并行輸出入（PIO）與DMA接口，可以連接到市場上多數(shù)的RISC指令集處理器、數(shù)字信號處理器（DSP）與微控器。它完全符合USB2.0規(guī)格，非常適合嵌入式或會聚式系統(tǒng)。

1.3 軟件設(shè)計

1.3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點在整個系統(tǒng)中有著重要的作用，首先要接收對參考節(jié)點的配置數(shù)據(jù)，其次還要接收各節(jié)點反饋的有效數(shù)據(jù)。其工作流程如圖5。

1.3.2 參考節(jié)點軟件設(shè)計

參考節(jié)點是一種靜態(tài)節(jié)點，其坐標(biāo)位置是固定的，并且不參與定位計算。其工作流程如圖6。

1.3.3 移動節(jié)點軟件設(shè)計

移動節(jié)點可在移動區(qū)域里任意移動。電腦各位節(jié)點通過接收定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點的RSSI值后，經(jīng)過定位算法來計算其坐標(biāo)位置。定位節(jié)點軟件流程圖如圖7。

1.3.4 Web服務(wù)器軟件設(shè)計

嵌入式Web服務(wù)器采用μClinux操作統(tǒng)，它是專門為無存儲器管理單元（MMU）微控制器設(shè)計的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。μClinux是基于Linux內(nèi)核開發(fā)的，它是在GNU公共許可證（GPI）下發(fā)布的自由軟件。μClinux經(jīng)過對標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核的改動，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，但μClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持以及豐富的API。

軟件設(shè)計步驟為：（1）移植u-boot；（2）建立交叉編譯環(huán)境；（3）μClinux操作系統(tǒng)的移植；（4）boa服務(wù)器的移植；（5）應(yīng)用程序的編寫。

1.3.5 服務(wù)器界面的設(shè)計

服務(wù)器界面采用動態(tài)和靜態(tài)的網(wǎng)頁實現(xiàn)。為了使得本系統(tǒng)的瀏覽器窗口呈現(xiàn)更為靈活的功能，采用了HTML多框架結(jié)構(gòu)，這樣在瀏覽器上便可以一次顯示多篇文檔，相互配合，相互轉(zhuǎn)換，如圖8所示。其中“系統(tǒng)主頁”、“關(guān)于我們”、“在線幫助”頁面和“聯(lián)系我們”網(wǎng)頁為靜態(tài)頁面，沒有與CGI程序的數(shù)據(jù)交互。“認(rèn)證頁面”、“系統(tǒng)狀態(tài)查詢”、“定位查詢”、“節(jié)點配置”頁面為動態(tài)頁面，分別與3個不同的CGI程序鏈接，用于接收或返回實時數(shù)據(jù)或信息。

所有HTML文件及需鏈接的圖像文件也均放人/μClinux-dist/vendors/tmpt目錄下暫存。

2 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)主要由2部分組成：（1）由參考節(jié)點、移動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成的定位系統(tǒng)。（2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點和嵌入式Web服務(wù)器之間的通信通過串口實現(xiàn)，嵌入式Web服務(wù)器可以通過以太網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)，也可以通過USB實現(xiàn)傳輸。具體步驟如下：

（1）將參考節(jié)點布置在一定的區(qū)域，本次選擇8個參考節(jié)點；

（2）配置參考節(jié)點，即給參考節(jié)點初始化一個位置信息；

（3）將移動節(jié)點放置在參考節(jié)點區(qū)域內(nèi)，本次選擇4個移動節(jié)點作為測試用；

（4）網(wǎng)關(guān)節(jié)點和嵌入式服務(wù)器通信，將定位信息通過網(wǎng)頁界面顯示出來。

通過多次改變移動節(jié)點的位置來測量移動節(jié)點的位置，然后與實際位置進(jìn)行比較，表1和表2是以移動節(jié)點1為例在不同區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測量的結(jié)果。

從上表可以看出本定位系統(tǒng)定位在區(qū)域不大的情況下，定位準(zhǔn)確性很高。

經(jīng)試驗，本定位系統(tǒng)在空曠的地方定位效果良好，但是也受環(huán)境影響，如受房間墻壁、玻璃及金屬對天線的影響。如果碰到這些情況應(yīng)盡量使用外接天線，這樣的效果會好。

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