無線傳感器網(wǎng)絡用于監(jiān)測系統(tǒng)中的定位算法

摘要：從硬件設計入手，介紹了自主設計的以片上系統(tǒng)(SOC)STM32W108為核心的WSN節(jié)點，在此基礎(chǔ)上采用了一種基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心定位算法實現(xiàn)了節(jié)點的自定位。該算法將RSSI測距和質(zhì)心定位算法相結(jié)合，用測得的RSSI值作為質(zhì)心定位的加權(quán)因子，合理體現(xiàn)了不同錨節(jié)點對定位未知節(jié)點的約束力。通過測試證明，該定位方法在較少的通信開銷情況下具有較高的定位精度，且易于實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；接收信號強度指示；節(jié)點定位；加權(quán)質(zhì)心定位

無線傳感器網(wǎng)絡主要用于監(jiān)測系統(tǒng)，大多數(shù)情況下，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合實際的位置信息才有價值，這些位置信息主要包括事件發(fā)生的位置和WSN節(jié)點的位置，節(jié)點的位置是定位事件發(fā)生位置的基礎(chǔ)。獲取節(jié)點位置信息最直接的方法是采用人工部署或GPS定位，但是對于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡，由于成本的制約和應用條件的限制，以上兩種方法實現(xiàn)起來都不理想。因此有必要采取相應的定位算法措施來解決目前大多數(shù)應用場合對位置信息的需求。
依據(jù)是否需要通過測量節(jié)點的距離信息把定位方法分為兩類：基于測距(rang—based)和不基于測距(rang—free)。前者是利用測量得到的距離或角度信息來進行位置計算，主要有TOA、TDOA、AOA和RSSI；后者是利用節(jié)點的連通性和多跳路由信息交換等方法來估計節(jié)點間的距離或角度，并完成位置估計，主要有DV—Hop、質(zhì)心算法等。兩類定位算法各有優(yōu)點，相比之下，基于距離的定位算法測量精度較高但是需要額外的硬件，不基于距離的定位算法對硬件要求較低但是定位誤差較大。本設計在自主設計的節(jié)點硬件基礎(chǔ)上，采用了將RSSI測距和質(zhì)心定位方法結(jié)合起來，實現(xiàn)了節(jié)點的自定位，避免了使用單一定位方法的不足，提高了定位精度。

1 WSN節(jié)點硬件設計
1．1 節(jié)點設計方案的確定
WSN節(jié)點設汁有兩種方式：一種是NCP(network eoprocessor)——核心處理器和Zigbee網(wǎng)絡處理器分開，另一種是SOC(system on chip) ——使用包含無線射頻功能的核心處理器。傳統(tǒng)的設計大部分采用了NCP的方式，這種方式的優(yōu)勢在于應用程序和Zigbee協(xié)議間可以分開設計，核心處理器的選擇很靈活，可以是8位的單片機，也可以是運行嵌入式操作系統(tǒng)的高級ARM，但是由于需要兩個處理器，就意味著增加了成本，且增加了節(jié)點的功耗，對于電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡來說，增大了功耗就使得整的網(wǎng)絡的壽命減少。而SOC的方式，大大減小了功耗和成本，且隨著芯片工藝的進步，SOC內(nèi)部的資源已經(jīng)不再是限制其使用的瓶頸。故本設計采用了SOC的方式，選用了意法半導體最新推出的射頻SOC—STM32W108。
1．2 STM32W108簡介
STM32W108是意法半導體推出的一款WSN專SOC。該芯片采用32位ARM Cortex—M3內(nèi)核，具有較強的處理能力，內(nèi)部集成了符合IEEE80 2．15．4標準的2．4 GHz射頻收發(fā)器，且芯片內(nèi)部帶有功率放大器，最大輸出功率可達7 dB，芯片內(nèi)部同化了Zigbee 2007 Pro協(xié)議棧，用戶根據(jù)ST官網(wǎng)提供的API函數(shù)就可實現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點間數(shù)據(jù)的收發(fā)。
1．3 節(jié)點硬件設計
實際設計中，選用了由上海沁科公司基于STM32W108生產(chǎn)的Zigbee模塊——EMZ3018A，該模塊采用了類似郵票孔的焊盤，可以很方便的焊接在PCB板上。圍繞著該模塊實現(xiàn)了外圍電路的設計，主要包括：電源模塊、SD卡存儲模塊、藍牙模塊、接口擴展模塊，下面分別進行詳細介紹：
(1)電源模塊
由于STM32W108的工作電壓要求是2．1～3．6 V，而SD卡和藍牙模塊要求是33 V供電，故選擇了3．3 V輸出的低壓差線性穩(wěn)壓芯片SP620 1-3．3，它的輸出電流能達到200 mA，滿足節(jié)點正常工作的需要，而且僅需要300 mV的壓差，3．6 V的鋰電池即可滿足要求。電源電路如圖1所示。

(2)存儲模塊
考慮到節(jié)點在后期的實際監(jiān)測中需要存儲大量的數(shù)據(jù)，一般的存儲芯片容量較小且價格較高，故本設計選用了大容量的存儲設備SD卡，而且SD卡支持FAT32文件系統(tǒng)，存儲的數(shù)據(jù)可以直接在PC上瀆取，實際應用中方便人工現(xiàn)場取數(shù)。同時SD卡支持SPI接口，操作方便。電路如圖2所示。

(3)藍牙模塊
藍牙模塊只在中心節(jié)點上安裝，主要是為網(wǎng)關(guān)與中心節(jié)點通信服務的。本設計選用的是BMX藍牙模塊，其操作很方便，通過串口和STM32 W108連接，網(wǎng)關(guān)通過藍牙配對成功后即可實現(xiàn)和中心節(jié)點的數(shù)據(jù)透傳。藍牙模塊電路如圖3所示。

(4)接口擴展模塊
考慮到節(jié)點的體積和實際應用中的不同需求因而選用不同的傳感器，故將I2C接口、SPI接口、和STM32W108的內(nèi)部12位AD的6路接口引出來，做成插針封裝。使用時，在PCB上焊接雙排插針母座，然后根據(jù)需要單獨做出傳感器板插接到節(jié)點上，即可實現(xiàn)大部分傳感器的采集。