基于DSP的無線傳感器網絡定位設計

為了實現無線傳感器網絡節(jié)點內部、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)議棧的基礎上，根據定位網絡的應用需求以及數據命令的用途，制定節(jié)點消息格式、消息類型和消息內容，明確消息的具體走向，確定節(jié)點的應用層框架結構。通過超聲波相關的測距定位算法來對網絡節(jié)點的測距性能和定位系統(tǒng)性能進行實驗分析。定位實驗結果表明，節(jié)點的平均定位誤差為0．27m，最大定位誤差為0．76m。

引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network， WSN）具有信息采集、傳輸、處理的功能和動態(tài)的拓撲結構。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，構成可以自主完成自組織特定任務的WSN智能網絡信息系統(tǒng)，無線傳感器節(jié)點在監(jiān)控區(qū)域內實現自定位。無線傳感器節(jié)點不僅要能夠實現自身定位，還要能夠在監(jiān)控區(qū)域內出現入侵者時，有效地安排適當的節(jié)點來消滅入侵者，起到自主防御的作用。

當前，國內外的高校、科研機構以及其他組織已經開發(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，國內關于定位方法和技術的研究比較多，國外的研究開展的比較早，很多定位系統(tǒng)已經走出實驗室，投入商業(yè)化應用。但仍存在節(jié)點測距范圍有限、定位精度不高等關鍵技術問題。目前，常用的定位技術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，主要是室內環(huán)境中應用。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。

針對上述問題，本文以節(jié)點高精度系統(tǒng)定位為目標，研究基于DSP的相關定位技術，設計并實現了基于超聲波相關檢測定位系統(tǒng)，系統(tǒng)界面友好，可以為WSN提供更好的節(jié)點自身定位服務支持。

一.定位系統(tǒng)結構

根據定位系統(tǒng)的實際要求，設計了WSN定位系統(tǒng)，系統(tǒng)的基本結構如圖1所示。該系統(tǒng)主要由兩部分組成：定位網絡和監(jiān)控系統(tǒng)。定位網絡中節(jié)點的位置隨機進行部署，其位置不確定，節(jié)點通過超聲波相關測距技術，使用相關檢測算法計算節(jié)點之間的距離，通過無線方式將距離信息轉發(fā)傳遞至Sink節(jié)點。上位機監(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)點根據收集到的節(jié)點距離信息來計算節(jié)點的坐標位置，終端界面顯示網絡拓撲結構及節(jié)點坐標。

1.傳感器節(jié)點架構

根據具體應用場景的不同，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。本設計中無線數據通信模塊選用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)的網絡組建以及節(jié)點間的消息傳輸都是通過ZigBee技術來實現的。

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，其具有結構簡單、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。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)點處理器模塊

由于節(jié)點要在野外環(huán)境中，無法進行電源的供給，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)點設計中至關重要。TMS320C6748TM DSP是TI公司生產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）結構，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，支持DSP的高數字信號處理性能和精簡指令計算機（Reduced Instruction Set Computer， RISC）技術，滿足當前的應用場景需求。除高速處理能力、極低的功耗以及豐富的外設接口外，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注的焦點，在此不贅述。

二.節(jié)點通信消息設計

在傳感器網絡中，采用ZigBee通信協(xié)議時，節(jié)點被分為Coordinator、Router以及End Device三種。Coordinator負責系統(tǒng)的初始化工作，選擇網絡的信道等參數建立網絡，供其他節(jié)點加入；Router負責節(jié)點之間命令消息的路由轉發(fā)實現；End Device負責任務是消息的發(fā)送和接收，只能和父節(jié)點進行數據通信，不具有路由轉發(fā)的功能。在本系統(tǒng)中，Sink節(jié)點主要負責監(jiān)控網絡的建立、上位機命令的分析處理和操作、數據的收集等任務，是整個網絡的數據存儲和處理中心，在上位機和監(jiān)控網絡之間起到橋梁的作用，是系統(tǒng)應用中的Coordinator。監(jiān)控網絡區(qū)域內的待定位節(jié)點要具備消息轉發(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)應用中的Router。每個節(jié)點由無線數據傳輸模塊和主控DSP模塊組成，同一節(jié)點的兩個模塊之間通過UART總線進行通信。節(jié)點之間通過無線RF射頻方式進行通信。Sink節(jié)點與上位機使用UART總線進行通信，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。

1.Sink節(jié)點任務設計

Sink節(jié)點（Coordinator）的任務主要包括節(jié)點的初始化、建立網絡以及應用層任務命令。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。應用層任務命令包括檢測和分析上位機下發(fā)的命令以及根據上位機命令做出相應的處理操作。應用層命令主要是Sink節(jié)點分別和上位機、定位網絡之間的交互。

三.定位系統(tǒng)實驗及結果分析

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。本文對已經研究設計的定位節(jié)點進行一系列的測距定位實驗。首先進行節(jié)點的測距性能實驗，然后進行節(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)點進行實驗。通過多次測量，取測量結果的平均值作為最終結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)點進行測距。Sink節(jié)點通過串口線與PC端連接，使用上位機軟件進行命令的發(fā)送和距離測量數據的收集顯示。將一個未知節(jié)點設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進行一組測量，每個測量點測50次，取這50次測距結果的平均值作為該測量點的測距結果。

四.結束語

本文設計了節(jié)點的通信方式及消息，在統(tǒng)一的消息格式內，根據所要執(zhí)行的任務的不同，具體設計各種應用消息；其次，根據系統(tǒng)需求和節(jié)點類型的不同，設計并說明了不同節(jié)點的程序流程；同時設計了良好的人機交互定位界面；最后，對網絡節(jié)點的測距性能和定位性能進行實驗分析，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)點定位的技術要求。