基于DSP相關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位設(shè)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：為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)部、節(jié)點與節(jié)點之間的有效通信，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)點的測距性能和定位系統(tǒng)性能進(jìn)行實驗分析。定位實驗結(jié)果表明，節(jié)點的平均定位誤差為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)點具有計算能力、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)^[1]，無線傳感器節(jié)點在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)自定位。無線傳感器節(jié)點不僅要能夠?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^[2-3]。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)走出實驗室，投入商業(yè)化應(yīng)用。但仍存在節(jié)點測距范圍有限、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，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)一個簡單實用、操作便捷的定位監(jiān)控系統(tǒng)也非常重要^[4-7]。

　　針對上述問題，本文以節(jié)點高精度系統(tǒng)定位為目標(biāo)，研究基于DSP的相關(guān)定位技術(shù)，設(shè)計并實現(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)點自身定位服務(wù)支持。

1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)定位系統(tǒng)的實際要求，設(shè)計了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)點的位置隨機(jī)進(jìn)行部署，其位置不確定，節(jié)點通過超聲波相關(guān)測距技術(shù)，使用相關(guān)檢測算法計算節(jié)點之間的距離，通過無線方式將距離信息轉(zhuǎn)發(fā)傳遞至Sink節(jié)點。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)部分又分為Sink節(jié)點信息處理和終端界面顯示兩個子部分，Sink節(jié)點根據(jù)收集到的節(jié)點距離信息來計算節(jié)點的坐標(biāo)位置，終端界面顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及節(jié)點坐標(biāo)。

1.1 傳感器節(jié)點架構(gòu)

　　根據(jù)具體應(yīng)用場景的不同，節(jié)點的總體框架主要由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)點間的消息傳輸都是通過ZigBee技術(shù)來實現(xiàn)的。

1.2 節(jié)點傳感器模塊

　　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，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(jié)點處理器模塊

　　由于節(jié)點要在野外環(huán)境中，無法進(jìn)行電源的供給，節(jié)點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)點的壽命。所以選取高性能、低功耗的控制器在節(jié)點設(shè)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，在此不贅述。

2 節(jié)點通信消息設(shè)計

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用ZigBee通信協(xié)議時，節(jié)點被分為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)點加入;Router負(fù)責(zé)節(jié)點之間命令消息的路由轉(zhuǎn)發(fā)實現(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)點要具備消息轉(zhuǎn)發(fā)與路由其他節(jié)點的能力，需要可以給所有節(jié)點發(fā)送消息，也可以接收到所有節(jié)點的消息，是系統(tǒng)應(yīng)用中的Router。每個節(jié)點由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和主控DSP模塊組成，同一節(jié)點的兩個模塊之間通過UART總線進(jìn)行通信。節(jié)點之間通過無線RF射頻方式進(jìn)行通信。Sink節(jié)點與上位機(jī)使用UART總線進(jìn)行通信，未知節(jié)點的通信方式中并不包含該通信方式。節(jié)點的通信方式如圖3所示。

2.1 Sink節(jié)點任務(wù)設(shè)計

　　Sink節(jié)點(Coordinator)的任務(wù)主要包括節(jié)點的初始化、建立網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)用層任務(wù)命令。這里將Sink節(jié)點的無線模塊和DSP模塊看作一個整體，Sink節(jié)點程序流程圖如圖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)點分別和上位機(jī)、定位網(wǎng)絡(luò)之間的交互。

3 定位系統(tǒng)實驗及結(jié)果分析

　　節(jié)點的測距性能主要通過節(jié)點的測距精度直觀反映，而節(jié)點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)計的定位節(jié)點進(jìn)行一系列的測距定位實驗。首先進(jìn)行節(jié)點的測距性能實驗，然后進(jìn)行節(jié)點的定位性能實驗。本實驗的實測環(huán)境是實驗室外走廊，實驗場景如圖5所示，實驗環(huán)境溫度為14~18℃，使用一個Sink節(jié)點和兩個未知節(jié)點進(jìn)行實驗。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。實驗過程中，Sink節(jié)點可以自由移動，以無線方式控制兩個未知節(jié)點進(jìn)行測距。Sink節(jié)點通過串口線與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)點設(shè)置為超聲信號接收節(jié)點，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，等間距移動測量。超聲信號源節(jié)點從距離接收節(jié)點1m處開始測量，每隔1m進(jìn)行一組測量，每個測量點測50次，取這50次測距結(jié)果的平均值作為該測量點的測距結(jié)果。

4 結(jié)束語

　　本文設(shè)計了節(jié)點的通信方式及消息，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)計各種應(yīng)用消息;其次，根據(jù)系統(tǒng)需求和節(jié)點類型的不同，設(shè)計并說明了不同節(jié)點的程序流程;同時設(shè)計了良好的人機(jī)交互定位界面;最后，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的測距性能和定位性能進(jìn)行實驗分析，驗證了系統(tǒng)基本滿足對測距范圍和測距精度要求和節(jié)點定位的技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]R.Want, A.Hopper, V.Falcao, et al. The active badge lication system[J]. ACM Transactions on Information Systems(TOIS), 1992, 1(10): 91-102.

　　[2]Harter A, Hopper A. A distributed location system for the active office[J]. Network, IEEE, 1994, 8(1): 62-70.

　　[3]Harter A, Hopper A, Steggles P, et al. The Anatomy of a Context-Aware Application[J]. Wireless Networks, 1999, 8(2-3):187--197.

　　[4]Addlesee M, Curwen R, Hodges S, et al. Implementing a Sentient Computing System[J]. Computer, 2001, 34(8):50-56.

　　[5]李元實, 王智, 鮑明,等. 基于無線聲陣列傳感器網(wǎng)絡(luò)的實時多目標(biāo)跟蹤平臺設(shè)計及實驗[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2012, 33(01):146-154.

　　[6]Luo J A, Feng D, Chen S, et al. Experiments for on-line bearing-only target localization in acoustic array sensor networks[J]. World Congress on Intelligent Control & Automation, 2010, 20(1):1425-1428.

　　[7]Priyantha N B, Chakraborty A, Balakrishnan H. The Cricket location-support system[C]// Proceedings of the 6th annual international conference on Mobile computing and networking. ACM, 2000:32-43.

　　[8]Savvides A, Han C C, Strivastava M B. Dynamic fine-grained localization in ad-hoc networks of sensors[C]. Proceedings of the 7th annual international conference on Mobile computing and networking. ACM, 2001: 166-179.

　　[9]Bahl P, Padmanabhan V N. RADAR: An in-building RF-based user location and tracking system[C]//INFOCOM 2000. Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings. IEEE., 2000: 775-784.

　　[10]Melodia T, Pompili D, Gungor V C, et al. A distributed coordination framework for wireless sensor and actor networks[J]. Proceedings of Acm International, 2005:99-110.

　　[11]Akyildiz I F, Kasimoglu I H. Wireless sensor and actor networks: research challenges[J]. Ad hoc networks, 2004, 2(4): 351-367.

　　[12]Wang A, Chandrakasan A. Energy-efficient DSPs for wireless sensor networks[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2002, 19(4):68-78.

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