改進的無線傳感網絡節點定位系統的設計與研究

陳世文　劉睿強　王一男

摘 要： 由于傳感器網絡節點容易受到干擾，傳統的無線傳感器網絡節點定位系統無法對預定位信息進行有效控制，定位精度和定位效率均不高，故設計定位精度和定位效率均較高的無線傳感網絡節點定位系統。該系統利用CC2430芯片控制全局，對復位電路、調試電路和串口電路進行重點改進。CC2430芯片利用差分控制方法對系統運行中產生的預定位信息進行控制，獲取預定位物體的最終定位信息。復位電路對傳入系統的預定位物體信息進行分類，將預定位信息實時傳輸至串口電路，其自身狀態信息將傳輸至調試電路。調試電路對復位電路中的電流和元件能耗進行調試，保障復位電路的正常運行。串口電路通過協調器與CC2430芯片連接，實現預定位信息向CC2430芯片的高效、精準傳輸。軟件給出系統定位函數，以及虛擬測量計算方法的定位流程圖。實驗結果表明所設計的系統擁有較高的定位精度和定位效率。

關鍵詞： 系統改進； 無線傳感網絡； 節點定位系統； CC2430芯片

中圖分類號： TN915?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0054?04

Design and research of improved node positioning system for wireless sensor network

CHEN Shiwen1， LIU Ruiqiang2， WANG Yinan3

（1. Nanjing College of Information Technology， Nanjing 210046， China；

2. College of Applied Electronics， Chongqing College of Electronic Engineering， Chongqing 401331， China；

3. Liaoning Shihua University， Fushun 113001， China）

Abstract： The wireless sensor network （WSN） node positioning system with high positioning accuracy and high positioning efficiency was designed to overcome the disturbance， control the preposition information effectively， and improve the positioning accuracy and positioning efficiency. CC2430 chip is used in the system for the global control. The reset circuit， debugging circuit and serial interface circuit were improved. The differential control method is adopted to control the preposition information generated in the system operation by means of the CC2430 chip， and get the final location information of the preposition object. The reset circuit is used to classify the preposition object information transmitted in the system， and transmit the preposition object information to the serial interface circuit in real time and its status information to the debugging circuit. The debugging circuit is used to debug the energy consumption of the components and the current in the reset circuit to ensure the normal operation of the reset circuit. The serial interface circuit is connected with the CC2430 chip through the coordinator to transmit the preposition information to the CC2430 chip efficiently and accurately. The system positioning functions， virtual measurement calculation method and positioning flow chart are given by software. The experiment results show that the designed system has high positioning accuracy and positioning efficiency.

Keywords： system improvement； wireless sensor network； positioning system； CC2430 chip

0 引 言

無線傳感網絡是由多個傳感器節點以特定方式構成的，在當今社會應用較為廣泛，其擁有的數據采集、感應、監控等功能，使其在定位領域也取得了較好的成效[1?3]。相比GPS定位系統而言，傳感器網絡節點定位系統更加穩定，現已成為定位領域的新型替代品。但傳感器網絡節點容易受到干擾，傳統的無線傳感器網絡節點定位系統無法對預定位信息進行有效控制，定位精度和定位效率均不高，科研組織已開始著手對其進行改進[4?6]。

傳統的無線傳感網絡節點定位系統均存在一些問題，如文獻[7]設計“微塵”無線傳感網絡節點定位系統，所謂“微塵”即是微型算法無線傳感器節點。該系統將含有300個“微塵”節點的無線傳感器網絡部署在需要進行定位的物體上，利用遠程監控的方式對物體進行定位，并獲取了較高的定位精度，但其硬件部分容易損壞且維修復雜。文獻[8]設計基于人體視覺的無線傳感網絡節點定位系統，該系統擁有強大的任務分配能力，能夠較好地利用人體視覺原理對物體進行定位，定位效率較高，但系統的抗干擾能力較弱，導致其定位精度不高。文獻[9]設計數字化監測無線傳感網絡節點定位系統，該系統能夠實時監測需要定位物體的坐標和狀態，并對不良干擾實施數字化報警。整個系統的定位精度較高，但由于監測工作耗費時間過長，導致其定位效率不高。文獻[10]設計基于軌跡繪制的無線傳感網絡節點定位系統，該系統能夠對需要定位的物體進行實時軌跡繪制，曾被用于各國戰爭中，并獲取了較高的評價，但其實現復雜，運行成本較為昂貴。為了解決以上問題，設計一種擁有較高定位精度和定位效率的改進無線傳感網絡節點定位系統。實驗結果證明，所設計的系統定位精度和定位效率均較高，較好地達成了設計初衷。

1 改進的無線傳感網絡節點定位系統設計

傳統的無線傳感網絡節點定位系統雖整體性能不高，但其中一些系統的設計是具有較高的定位精度或定位效率的。所設計的改進無線傳感網絡節點定位系統利用這些系統的優點，對其中不完善之處進行改進，提高系統的定位精度和定位效率。改進的無線傳感網絡節點定位系統采用嵌入式設計，利用節點定位芯片控制全局，并對復位電路、調試電路和串口電路進行重點改進。

1.1 節點定位芯片設計

節點定位芯片是改進的無線傳感網絡節點定位系統中的“管理階層”，節點定位芯片的性能影響整個系統的定位精度和定位效率。為此，所選節點定位芯片必須具有較強的控制準確性和控制效率，可對預定位信息進行有效控制，以提高系統定位精度和定位效率，且節點定位芯片的成本應在普通使用者能夠承受的范圍之內。

CC2430芯片是某境外公司設計的一款低成本、高性能、設計較為成熟的控制芯片，其能夠在不同類型的無線傳感網絡中正常工作，并對預定位物體的預定位信息進行有效控制。CC2430芯片擁有高性能的射頻收發器和8051內核，其最大閃存量為128 KB，并配置了多種類型的外設接口，能夠與外圍電路完美相連。為此，選取CC2430芯片作為改進的無線傳感網絡節點定位系統的節點定位芯片，圖1是CC2430芯片內部電路圖。

由圖1可知，CC2430芯片利用差分控制方法對改進的無線傳感網絡節點定位系統運行中產生的信息進行控制，射頻收發器是這些信息的收發媒介。圖1中的低噪音放大器和縮減輸出器均位于射頻收發器中。在系統進行預定位信息的傳輸過程中，低噪音放大器首先將預定位信息進行頻率放大，模擬調制器和數字調制器通過對電阻R1和R2進行自動增益控制，將放大后的預定位信息變為預定位數字信息，并對其進行計算。此后，預定位物體的最終定位信息便能夠非常清晰地浮現出來，對這些定位信息進行提取，再經由縮減輸出器縮減信息頻率，最終獲取到所需的無線傳感器網絡節點定位信息。

1.2 復位電路設計

復位電路能夠對傳入改進的無線傳感網絡節點定位系統的預定位物體信息進行分類，并將其中具有定位能力的預定位信息傳輸到調試電路。復位電路見圖2。

由圖2可知，所設計的改進的無線傳感網絡節點定位系統根據定位信息具有的一些特性參數，對傳入其中的預定位物體信息進行事前定義，為其中具有定位能力的預定位信息賦予低電壓和低電流。當低電壓和低電流進入到復位電路中，R3上不會產生電流和電壓變化，電路則會產生低電平。而當非低電壓和非低電流信息進入復位電路，則會產生高電平。開關S1感應到電路中的高電平后會自動斷開連接，阻隔不具有定位能力信息的傳輸。CC2430芯片直接為開關S1提供開合指令。復位電路將所獲取到的預定位信息實時傳輸至串口電路，復位電路的自身狀態信息則將傳輸至調試電路進行調試。

1.3 調試電路設計

由于復位電路的工作量較大，極易發生電路元件損壞的情況，故在改進的無線傳感網絡節點定位系統設計中加入調試電路，保障復位電路的正常運行。調試電路具有調試電路電流和元件能耗的作用，也是預定位信息的預處理中心，如圖3所示。

由圖3可知，所設計的改進的無線傳感網絡節點定位系統中的調制電路，擁有16個調試接口，其中的控制管理接口直接與CC2430芯片相連，CC2430芯片對調制電路的控制包括時鐘信息控制管理和傳輸驅動。調試電路利用測試包測試復位電路中各元件的運行狀態，一旦發現復位電路中電流和元件超負荷運行，調試電路隨即利用傳輸驅動端口向CC2430芯片發送控制請求，經由CC2430芯片縮減傳入復位電路中的信息數量，達到調試超負荷狀態的目的，保障復位電路的正常運行。

1.4 串口電路設計

串口電路可實現預定位信息向CC2430芯片的高效、精準傳輸。傳統的無線傳感網絡節點定位系統通常將串口電路與節點定位芯片直接相連，而在所設計的改進的無線傳感網絡節點定位系統中，串口電路則選用通過協調器連接CC2430芯片的方式，如圖4所示。

由圖4可知，串口電路選用6芯接口與CC2430芯片相連接。由于CC2430芯片與串口電路的信息參數不同，故在連接處加入兩個電容對預定位信息的參數進行調節，協調器為該調節工作提供數字控制。

2 改進的無線傳感網絡節點定位系統軟件設計

改進的無線傳感網絡節點定位系統定位函數是采用關聯計算方法求得的。關聯計算方法是一種能夠根據數據間關聯程度進行分析、計算的方法。時延[D]是指信息從網絡的一端傳遞至另一端的同時，關聯計算方法通過計算預定位物體與無線傳感網絡節點的時延，將其乘以系統傳輸速率得出二者距離，進而對預定位物體進行準確定位。由于系統傳輸速率為已知參數，故只需對時延[D]進行求取，便能夠完成對預定位物體的定位。

用[x1（t）]，[x2（t）]表示無線傳感網絡節點接收到的兩種預定位物體信息，分別是預定位物體自身參數和預定位物體外界干擾參數；[S（t）]表示源信息；[n1（t）]，[n2（t）]表示加性干擾。由于[S（t）]和[n1（t）]，[n2（t）]均滿足正態平穩隨機函數，其均值和方差分別為0和1，且互不干擾，則預定位物體信息的函數表達式為：

式中，[Rs]代表改進的無線傳感網絡節點定位系統預設的標準關聯度函數，該值處于特定范圍中。由于[Rs（τ-D）≤Rs（0）]，故當[Rs（τ=D）]取最大值時，[τ=D]，此時便可獲取預定位物體的時延[D]。

為了確保所計算出的時延[D]的準確性，需要進行兩次計算，將兩次計算結果進行改進后，將二者的平均值作為預定位物體的定位目標函數。改進的無線傳感網絡節點定位系統的第二次計算采用虛擬測量計算方法，圖5為虛擬測量計算方法的定位流程。

由圖5可知，虛擬測量計算方法將預定位物體安置在無線傳感器網絡的特定節點上，測量出無線傳感器網絡節點上預定位物體節點時延[D1]，再將預定位物體的位置還原，此時的時延[D]可用式（3）表示：

[D=cvΔT+D1] （3）

式中：[cv]為還原點距無線傳感器網絡節點的距離；[ΔT]為無線傳感器網絡節點上的預定位物體與還原點之間的時延參數。

預定位物體的定位結果受環境干擾較大，軟件根據這一特性給出定位結果改進函數[c]為：

[c=DTrM] （4）

式中：[M]代表預定位物體環境中干擾因素的分子量；[r]和[T]分別代表其比熱和溫度。利用式（4）對兩次定位結果進行改進，再求取定位結果的平均值，將其乘以系統傳輸速率，即可得出最終的定位結果。

3 實驗驗證

3.1 定位精度驗證

在對本文系統定位精度的驗證實驗中，選擇5個不同坐標點的預定位物體，利用本文系統、數字化監測系統和軌跡繪制系統對這5個物體同時進行定位。實驗中，干擾因素的干擾時間和強度均隨機加入。表1描述的是預定位物體實際坐標統計表，表2描述的是三個系統定位結果統計表。

由表1、表2可知，若直接將兩表中的數據進行對比，所得的精度驗證結果并不會產生明顯對比，故將三個系統的定位精度計算出來，定位精度[u]的計算公式為：

[u=D2-D1D1×100%] （5）

式中：[D1]表示物體實際坐標值；[D2]表示系統定位結果。將計算出的定位精度結果匯總成曲線圖，如圖6所示。

由圖6可知，本文系統的定位精度曲線始終低于另外兩個系統的定位精度曲線，維持在[4.2%，5.9%]的范圍內，即本文系統的定位精度較比傳統的數字化監測系統、軌跡繪制系統定位精度而言獲取了較大的提高，驗證了本文系統具有較高的定位精度。

3.2 定位效率驗證

將以上三個系統輸出定位結果的時間進行記錄，如表3所示。

表3 三個系統定位時間統計表 s

由表3可知，系統定位時間由長到短的順序依次是數字化監測系統、軌跡繪制系統、本文系統。由上述結果能夠非常明確地得出，本文系統具有較高的定位效率。

4 結 論

本文設計改進的無線傳感網絡節點定位系統，該系統利用CC2430芯片控制全局，對復位電路、調試電路和串口電路進行重點改進。CC2430芯片利用差分控制方法對系統運行中產生的預定位信息進行控制，獲取預定位物體的定位信息。復位電路對傳入系統的預定位物體信息進行分類，將預定位信息實時傳輸至串口電路，其自身狀態信息將傳輸至調試電路。調試電路對復位電路中的電流和元件能耗進行調試，保障復位電路的正常運行。串口電路通過協調器與CC2430芯片連接，實現預定位信息向CC2430芯片的高效、精準傳輸。軟件給出系統定位函數，以及虛擬測量計算方法的定位流程圖。實驗證明，所設計的系統擁有較高的定位精度和定位效率。

參考文獻

[1] 李銀，汪洋，陳冬明.基于RSSI的無線傳感器網絡定位系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2015，23（3）：1061?1064.

[2] 葛君山.無線傳感網絡在海上作戰定位系統中的作用[J].艦船科學技術，2015，37（2）：184?187.

[3] 崔艷.基于Beta信譽系統的無線傳感網絡魯棒安全自定位[J].計算機應用與軟件，2015，32（5）：127?131.

[4] 張雙雙，王延年.節點分布不均勻的無線傳感網絡低功耗算法[J].西安工程大學學報，2015，29（6）：720?723.

[5] 薛強，葉明，范君菲.無線傳感器網絡在礦山微震定位系統中的應用[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2015，28（2）：102?105.

[6] 王翀，曾锃.智能電網中無線傳感器網絡的節能節點定位方法[J].電信科學，2016，32（3）：183?186.

[7] 陳戈，張錚，李振波，等.基于定位導航系統的改進無線節點空間定位算法[J].半導體光電，2015，36（4）：618?621.

[8] 趙攀.新的無線傳感器網絡未知節點定位方法[J].計算機工程與設計，2014，35（5）：1542?1546.

[9] 鄭君剛，陳莉，陳彪.基于IMCL算法的無線傳感器網絡節點定位[J].電子產品世界，2015，22（12）：37?39.

[10] 王英彥，曾瑞.基于改進單錨節點的無線傳感器網絡節點定位算法[J].計算機應用與軟件，2015，32（11）：147?150.