无线传感器网络（WSN）定位系统设计

关 亮 ， 张开龙， 李同松

（1.中国人民解放军69016部队，新疆乌鲁木齐830001；2.普天信息技术研究院有限公司北京100080）

定位是无线传感器（WSN）网络重要的支撑技术，具有广泛的应用。ZigBee技术则是一种近距离、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信技术[1]，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。将ZigBee技术应用于无线传感器网络中是现今研究的一个重点，相关定位技术的研究和应用也受到人们广泛的关注。

1 WSN定位概述

1.1 WSN定位研究现状

无线传感器的广泛应用使其定位技术得到快速发展。TI公司推出一款带硬件定位引擎的片上系统（SoC）解决方案CC2431，在典型应用中可实现3～5m定位精度和0.25m的分辨率，由于定位算法被固化，导致其应用缺少灵活性[2]。另一方面，利用普通无线收发器件结合软件算法的定位受到了广泛关注。

1.2 CC2430简介

CC2430[3]是TI公司推出的一款2.4 GHz射频系统单芯片。该器件内部集成有ZigBee射频前端，内存和微控制器。微控制器使用的8051内核，内部具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含A/D转换器、定时器Timer、AES128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式，定时器上电复位电路以及外部21个可编程的I/O口，在硬件上支持IEEE802.15.4规定的CSMA-CA功能。CC2430自身资源丰富和低功耗、低成本的特点使得其非常适用于无线传感器网络中。

2 定位系统网络结构图

系统体系结构如图1所示。无线传感器定位系统中包括3类节点：协调器、参考节点和盲节点。参考节点位置已知，盲节点利用已知参考节点信息，借助一定的定位算法确定自身位置，完成自身定位。

一个完整的无线传感器定位系统设计过程包括3个方面：硬件节点设计、定位节点软件设计和上位机软件设计。硬件设计为系统提供定位硬件平台，定位节点软件设计主要完成无线收发模块的数据传输流程，上位机软件接收无线采集数据，利用特定算法完成定位，并动态显示定位结果。

图1 定位系统网络结构

3 WSN定位节点硬件设计

3.1 总体设计

定位节点硬件设计框架如图2所示。硬件设计分为两部分：无线通信模块设计和无线测试模块设计。无线通信模块为节点间的无线数据提供接口，它是节点核心部分。无线测试模块通过RS232串口转换电路实现PC机与协调器节点间的数据传输。

图2 定位节点硬件设计框图

3.2 硬件实现

无线通信模块包括CC2430及其相关外围电路。由于CC2430集8051内核与无线收发模块于一体，从而简化了电路设计过程，省去了单片机和无线收发器件之间接口电路的设计，缩短了研发周期[3]。

无线测试模块的串口转换电路采用MAX3232双通道转换器，工作电压范围为3～5.5 V，该电路主要用于协调器与PC之间的串口通信。

对射频电路来说，解决好器件间干扰问题是至关重要的。建议无线通信模块采用PCB双层板，顶层用于信号线布线，底层用于电源和地布线，在无布线的开放区域采用少量过孔相连到地。另外，务必使CC2430底部可靠接地。外围器件尺寸尽量小，可使用0402规格阻容器件。如果使用PCB天线，为了减少板材对PCB天线的影响，使天线获得最佳性能，可以采用RF4板材，板材介电常数为4.5，厚度为1 mm，敷铜厚度为0.35 μm。无线测试模块PCB制作无特殊要求。

4 定位节点软件设计

无线传感器定位网络中存在3种功能类型的节点，分别为网关（协调器）、参考节点（路由器）和盲节点（终端）。网关在整个系统中有着至关重要的作用，首先它要接收上位机发出的命令，开启网络，等待其他类型节点入网，其次还要接收各节点反馈的有效数据并传输给上位机软件处理。参考节点是一类静止的已知自身位置的节点，它的任务是接收带RSSI（Received Signal Strength Indicator）值的信息包并计算RSSI平均值，最终在盲节点打包各RSSI平均值后，将其发送给网关，传回上位机监控软件处理。盲节点是一类可移动的节点，可在参考节点包围的区域内任意移动。盲节点向周围空间广播RSSI簇，并接收一跳范围内的参考节点平均RSSI值，打包收到的各平均RSSI值后，无线发送给协调器节点。图3为整体传感器网络定位通信流程[4]。

图3 感器网络定位通信流程

考虑到网关节点除了组网和串口通信功能外，它可以作为参考节点使用，故只需要编写两种节点程序即可。网关节点特有的功能用虚线标出。各类节点工作流程如图4和图5所示。

5 上位机软件设计

5.1 上位机功能及其实现

无线传感器定位系统上位机监控软件中，与定位相关的功能主要包括2大类：定位工程管理和定位信息处理。定位工程管理完成加载定位区域示意图和配置参考节点坐标信息功能。定位信息处理完成参数采集、数据处理功能。具体来说，定位工程管理需要包括以下3方面：1）加载定位区域平面图，用户为特定定位场景自行选择bmp、jpg、gif等格式的定位区域示意图；2）配置参考节点信息，用户自行配置参考节点并在工程中设置参考点号，在定位区域示意图中标示参考节点位置；3）保存和修改工程，随时保存和修改工程信息。而定位信息处理包括2个方面：1）提供PC和协调器间接口，通常使用串口与协调器进行通信，PC机向下发送命令信息，协调器向上读取数据。2）区域定位，根据从参考节点读出的信息进行定位并显示和保存定位结果。

上位机功能实现流程如图6所示。其中，系统初始化包括：定位区域示意图加载、区域尺寸参数设置、参考节点位置设置和串口相关参数设置以及串口打开等功能。

图6 上位机实现流程

5.2 定位算法选取

基于接收信号强度指示（RSSI）的算法，利用RSSI与距离之间的关系，在特定定位环境采集数据，对数据进行拟合，获取二者关联曲线，利用基于测距的定位算法实现未知节点的位置确认[5]。

基于场地信号强度数据库的算法，就室内定位而言，要实现精确定位，最直接的方法是建立待定位场地的信号强度数据库，通过数值比对确定盲节点位置。但数据库的构建费时费力，室内环境改变（如室内设施移动了位置、改变了参考节点位置等）需要重新构建采样数据库。为了以较小代价获得尽可能高的精度，可以将2种定位方法进行适当融合[6]。每种算法都有它的优缺点，根据具体应用需要选择合适的算法。

6 结束语

本文详细介绍了无线传感器定位系统的软硬件设计，该定位系统可以充分利用软件方法实现较高的定位精度。降低对定位硬件的要求，使得无线传感器定位系统维持在较低的成本上。从实际测试结果表明：该定位系统是切实可行的，并且实现简便。

[1]ZigBeeAlliance．ZigBeespecification:ZigBeedocument 053474r06，Version 1．0[S]．2004．

[2]Texas Instruments．System-on-chip for 2．4GHz ZigBee/IEEE 802．15．4 with location engine[EB/OL]．（2007－06－15）．http://focus．ti．com．cn/cn/docs/prod/folders/print/cc2431．html．

[3]Texas Instruments．CC2430 data sheet[EB/OL]．（2007－06－15）．http://www．ti．com/cn/lit/gpn/cc2431．

[4]Texas Instruments．Z-Stack location profile user's guide[EB/OL]．2006．http://vast．uccs．edu/files/projects/traumagps_files/docs/chipcon/Z－Stack．pdf．

[5]王福豹，史龙，任丰原．无线传感器网络中的自身定位系统和算法[J]．软件学报，2005，16（5）：857－868．

[6]孙佩刚，赵海，罗玎玎，等．智能空间中RSSI定位问题研究[J]．电子学报，2007，35（7）：1240－1245．