基于无线传感器网络的定位系统设计

党元一

(沈阳工程学院自动化学院，辽宁 沈阳110136)

随着传感器和无线通信技术的快速发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)由于具有信号采集、实时监测、信息传输和信息服务等功能，已经被人们用于军事、交通、医疗、抗灾等各种领域，极大地丰富了人们与外部世界的数据交互能力，为人们创造了巨大的便利[1]。在很多应用中，节点位置信息的获取至关重要，成为目前研究的重点。位置信息获取的难点如下[2]：

1) 无线传感器节点往往采用轻量级设计，处理器的计算能力有限，电池提供的能量也有限，无法设计复杂的节点位置获取算法。

2) 应用的环境复杂多样，常常在一些极端恶劣的条件下使用，存在较大的通信干扰。

这一系列的问题导致无线传感器网络在定位上存在着一些问题。针对此，本文设计了一种安全有效的基于无线传感器网络的定位系统，详细介绍了系统原理、硬件设计、软件设计，最后给出了系统的测试数据。

本系统的原理为：通过在区域内设置固定位置节点(锚节点)，由定位算法根据锚节点的位置计算出目标节点的位置；
所有目标节点的位置信息汇总到汇聚节点，汇聚节点直接把信息传递到监控主机。监控主机通过程序生成整个系统的位置信息图。系统的连接关系如图1所示。

图1 系统连接关系

系统的硬件设计包括处理器模块、供电模块、串口通信模块三部分。

2.1 处理器模块

锚节点、目标节点和汇聚节点的处理器采用TI公司的CC2530芯片，CC2530提供了片上系统解决方案，应用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。它结合了先进的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256 KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适合超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，这进一步确保了低能源消耗。处理器模块电路图如图2所示。

图2 处理器模块电路图

2.2 供电模块

系统采用锂电池供电，并采用太阳能板进行充电。充电端并联法拉电容，法拉电容能够在太阳充足时充满电量，在太阳不足时进行补充充电。锂电池输出端连接稳压器对处理器进行供电[3]。电路图如图3所示。

图3 供电模块电路图

太阳能充电控制采用TP4054芯片，该芯片是专为锂电池充电设计的一款线性充电芯片，采用较小的封装与较少的外围器件，非常适用于小型设备应用。它的充电电流可达800 mA,电路中无需MOSFET、检测电阻器或隔离二极管。

小型锂电池的标称电压为3.7 V，充满电之后的电压为4.2 V，处理器的工作电压为3.3 V。传统的稳压芯片不能提供这么小压差的稳定输出电压，我们需要采用低压差稳压芯片。稳压芯片采用XC6206P332，它是一款3端高精度、低功耗正压稳压器,采用CMOS和激光微调技术制造。XC6206稳压器是一个系列，输出电压范围从1.2 V～5.0 V，每隔0.1 V有一个型号，3.3 V输出是其中一种。XC6206P332是它的完整型号，含义是输出电压为3.3 V，误差为±2%。

2.3 串口通信模块

汇聚节点负责把信息传递到监控主机，汇聚节点和主机间采用串口进行通信。电路图如图4所示。

图4 串口通信模块电路图

传感器汇聚节点的处理器采用CC2530，它具有串口通信功能。要实现汇聚节点和监控主机的通信，需要通过串口通信模块连接到监控主机的USB插口。串口通信模块采用PL2303芯片，它是Prolific公司生产的一种高度集成的接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案。

3.1 定位算法原理

当无线信号在空间传播时，信号强度(RSSI)会随着传输距离的增大而减小，信号强度的变化规律有理论上的公式进行计算。基于这样的原理可以在需要定位的区域内设置一些锚节点，锚节点采用固定位置的节点，它的位置是预先可知固定不变的。当目标节点移动时，通过节点附近的锚节点采集目标节点的发射信号强度，通过几何的定位算法计算出目标节点的位置信息[4]。下面作具体分析。

无线信号在空间传播时，信号强度(RSSI)随传输距离的变化公式为：

(1)

公式中，P0为参考信号的强度；
d0为参考信号强度对应的传输距离；
n为路径衰减指数；
P为接收信号强度。路径衰减指数n通常与信号传输环境相关。

在一般情况下，参考信号强度取单位距离下的接收信号强度，即d0=1 m，这时的接收信号强度用A表示，简化后的信号强度随传输距离的变化公式为：

P=A-10nlnd

(2)

此时，如果测量出接收信号强度，就可以计算出距离：

(3)

当目标节点与锚节点的距离计算出来后，采用三边测量法计算目标节点所在的位置。三边测量法的原理是，在目标节点与它通信范围内三个锚节点通信后，分别以锚节点为圆心，计算出的距离为半径画圆，目标节点位于三圆的交点处，如图5所示。

图5 目标节点图

如图5，A点、B点、C点为锚节点，P为目标节点。设P点的坐标为(x,y)，A点坐标为(x1,y1)，B点坐标为(x2,y2)，C点坐标为(x3,y3)，P点与A点的距离为r1，P点与B点的距离为r2，P点与C点的距离为r3。分别以A点、B点、C点为圆心，r1、r2、r3为半径画圆，距离与坐标的关系如式(4)所示。

(4)

通过求解方程，即可求出圆心坐标。

3.2 锚节点程序

锚节点主要负责监测通信范围内是否有目标节点进行定位请求，如果有，就把目标节点距离锚节点的距离信息回复给目标节点，之后重新进入监测程序。

3.3 目标节点程序

目标节点需要发送定位请求信息到附近的锚节点，如果有三个锚节点回复了距离信息，就进行位置计算并把位置信息发送给汇聚节点。如果没有三个锚节点进行回复，就重新发送定位请求信息。

3.4 汇聚节点程序

汇聚节点需要监测区域内是否有目标节点发送位置信息，如果有，就通过串口将目标节点位置信息发送到监控主机，之后重新进入监测程序。

3.5 监控主机程序

监控主机收集区域内目标节点的位置信息，通过程序生成整个系统的位置信息图。监控主机为电脑端，采用VB进行程序设计。

测试的环境在20 m×20 m的室内空旷区域，锚节点的数量从3个到10个变化，位置均匀分布。目标节点的数量从12个到20个变化。下面分别从锚节点数量变化和目标节点数量变化两个方面进行对比。

4.1 目标节点数量不变

目标节点的数量为12个，锚节点的数量从3个到10个变化，目标节点的平均定位误差如表1所示。

表1 锚节点数量与平均定位误差关系

从表1可以看出，随着锚节点数量的增加，平均定位误差有所减小。当锚节点的数量增加到6个以后，平均定位误差减小的趋势不明显。所以我们取锚节点的数量为6。

4.2 锚节点数量不变

锚节点的数量为6个，目标节点的数量从12个到20个变化，目标节点的平均定位误差如表2所示。

表2 目标节点数量与平均定位误差关系

从表2可以看出，随着目标节点数量的增加，平均定位误差有所增加。当目标节点的数量增加到15个以后，平均定位误差增加的趋势明显。所以我们取目标节点的数量为15。

4.3 测试数据分析

从以上两方面测试可以看出，在20 m×20 m的空间范围内，锚节点数量为6，目标节点的数量在不超过15个的前提下定位精度较高。此应用模型可以进行缩小或放大，可在实际中进行应用。

本文设计的基于无线传感器网络的定位系统，通过锚节点的固定位置信息，可以方便地确定目标节点的位置信息并在监控主机上显示出来。经实验结果验证，系统的定位精度较高，具有巨大的推广价值。

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