無線傳感網絡的改進嵌入式節點定位系統設計

覃琪 譚松鶴

關鍵詞： 嵌入式網絡控制系統; 無線傳感網絡; 錨節點距離估計; 節點定位系統; 安全定位; 系統設計

中圖分類號： TN926?34; U665 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）03?0035?04

Abstract： The cost of node location in the sensor is relatively high， and the system is complex， which may cause the error or even failure of the node self positioning function. The software of the wireless sensor network is improved to better design the wireless sensor network system and realize the high?precision positioning system design. In combination with the innovation and optimization of the embedded node positioning system， an embedded node location system of wireless sensor network is set up to improve the running reliability， accuracy and flexibility of the positioning system， and make the system more suitable for different application detection and location environments. The simulation experiment was carried out to verify the effectiveness of the system. The experimental results show that the method can effectively improve the positioning accuracy and reliability of wireless sensor network technology， and effectively make up for the shortcomings existing in the traditional positioning system， and has higher reference and practical values.

Keywords： embedded network control system; wireless sensor network; anchor node distance estimation; node positioning system; security positioning; system design

0 ?引 ?言

作為一種新的定位搜索平臺，無線傳感器已廣泛應用在交通管理和災害檢測等日常公共生活領域，從而形成能夠對全球多目標信息進行多種檢測、高效采集和準確傳輸的監控定額覆蓋網絡[1]。由于當前無線傳感網絡技術中傳感器節點定位方法相對復雜，易出現定位信息傳輸誤差等問題[2]。為了更好地提高無線傳感網絡定位系統功能運作的準確性和高效性。結合嵌入式節點定位系統對監測、監控目標信息進行采集和傳輸。在對嵌入式節點定位理論進行深入研究和分析的基礎上，對無線傳感網絡定位系統進行創新和優化，為驗證系統的可行性進行仿真實驗，實驗數據證實，該方法可有效提高系統的運作性能，具有較高的應用價值[3]。

1 ?嵌入式節點移動定位方法探究

對無線傳感網絡節點的數量和角度信息進行獲取后，利用網格記數法對網絡節點通信距離約束定位關系進行計算[4]。對無線傳感器節點分布距離進行計算和設計后，對系統中的錨節點的跳數值及位置信息進行獲取，通過獲取信息對其他錨節點的實際距離和平均每跳距離進行計算，并將此估計值作為標準校正數據傳輸至無線傳感網絡中[5]。在無線傳感網絡通信定位系統中的通信節點一旦接收到上述校正信息，就可以精確快速地對系統內部的錨節點距離進行估計。為了進一步擴大定位系統的數據檢測效果，設置了部分虛擬節點以便進行優化，從而有效解決節點分布稀疏或不規則的傳感網絡系統中定位精確度差、效率低等問題，從而有效提高動態無線自組傳感網絡系統的適用性[6]。動態無線自組傳感網絡系統節點分布優化過程如圖1所示。

在網絡系統中，當錨節點密度較高時，網絡定位系統對自身相對于錨節點的距離或角度測量會比較復雜[7]。因此需要對傳感器節點功能進行優化，嵌入固定的未知節點，使之向周圍臨近的節點發送定位信息請求，并快速精準地獲取到周圍每個未知節點的鄰居回復消息，從而實現定位[8]。傳感器嵌入節點功能結構如圖2所示。

根據節點嵌入方法及結構功能進一步對嵌入節點進行設計。為了減少設計過程中的額外花銷，提出使用嵌入式移動虛擬節點對自身精確位置進行廣播和傳輸，從而對系統定位進行輔助的設計方法[9]。通過對大量移動虛擬節點運動過程進行詳細的調查和研究，發現當網絡定位系統中的虛擬節點處于移動狀態時，可以在固定的時間間隔內對自身的精確坐標信息進行傳播，從而提高系統定位的精準度。虛擬節點運動過程簡化示意圖如圖3所示。

利用移動虛擬節點進行系統輔助定位的方法可以全面掌握系統定位信息，提高系統的定位精度和速度[10]。移動虛擬節點具有受能源限制相對較小，且可有效替代系統中冗余節點設置的優勢，從而降低定位系統的設計花銷。為了更好地對嵌入式節點移動過程進行記錄，設置了虛擬節點移動網格，從而達到更加精確地對移動虛擬節點位移及距離進行檢測和獲取的設計目標[11]。嵌入式節點移動記錄方法如圖4所示。

利用上述網格方法可以更好地對虛擬節點的移動情況、距離和節點信息獲取的覆蓋面積進行分析和檢測，有效獲取系統節點定位信息，從而對傳感網絡節點信息傳輸和定位功能進行優化[12]。

2 ?嵌入式無線傳感網絡節點控制系統設計

根據嵌入式移動節點的運動過程及傳輸計算對嵌入式節點網絡定位控制系統進行設計[13]。由于在設計過程中，對定位信息的獲取需求不同，會產生不同的虛擬節點信息傳輸設計要求，為了快速、精準地獲取節點定位信息，設計了無線傳感網絡節點信息排查檢測系統，并給出冗余定位信息進行檢測和排查的設計流程，以便對目標信息進行檢索，快速獲取所需數據。信息排查檢測系統流程設計如圖5所示。

為了避免在對網絡節點定位信息進行排查的過程中出現由于嵌入式處理器對目標信息儲存內容相對較多造成的延時等問題，要根據具體需求對目標定位信息進行限制，從而精準獲取定位信息。另外，由于嵌入式移動虛擬節點對信息的處理能力有限，應盡量避免對運算量相對較為繁重的信息進行排查。由于無線傳感網絡定位系統具有開放性和普遍適用性，為了能夠實現系統廣泛應用于多種監控定位場合的設計目標，要對節點定位信息安全功能進行優化，以便實現系統對細節信息的獲取和排查工作。基于上述信息，設計了嵌入式節點信息定位安全優化方法，以便保證系統的正常運作。

嵌入式節點的安全定位方法如圖6所示，在安全校驗范圍內，對固定良性節點域嵌入式移動虛擬節點以及部分難以正常運行的通信節點的定位過程進行信息傳輸鏈接和直接定位，利用移動虛擬節點對其他節點信息進行接收和檢驗，從而避免被破壞節點中信息丟失的問題，達到信息安全定位的設計目標。在保障系統安全準確運行的基礎上，綜合前文內容對無線傳感網絡嵌入式節點定位系統進行優化設計，設計流程如圖7所示。

3 ?實驗結果與分析

為了對改進后的無線傳感網絡嵌入式節點定位系統的工作效率進行評估，需要進行仿真實驗。首先對系統嵌入式節點的檢測信息數據進行記錄，節點數據如表1所示。

在上述同等條件下分別對被破壞的節點移動次數、嵌入式節點移動次數及良性節點移動次數進行檢測，以便通過移動次數驗證定位節點的運作情況。假設所有檢測的節點均被隨機分布于安全檢測目標區域內，且節點通信半徑相同，對網絡節點移動次數進行對比檢測的結果如圖8所示。

通過圖8不難發現，在網絡通信節點中，嵌入式移動節點運作相對更為靈活，可快速進行移動，以便獲取更大范圍的定位數據，彌補良性節點移動較慢造成信息獲取量低和被破壞節點中信息易丟失等問題。

由于在傳統傳感網絡定位系統中，所有節點相對較多，且測距定位計算相對繁瑣，易造成計算誤差，且誤差值會在其他環節上進行累積，從而導致系統定位精準度大幅度降低。基于上述背景，在同等條件下對比傳統方法和文中設計方法對定位信息精準度進行檢測。檢測結果如圖9所示。

綜合上述仿真檢測結果可知，改進后的無線傳感網絡嵌入式節點定位系統可更精準地獲取和傳輸信息，精準度遠勝于傳統方法，且系統運作過程相對穩定，檢測過程中波動相對更小，由此證實該系統具有更高的安全性和優越性，符合系統優化設計的目的，適用于對當前網絡定位系統的應用。

4 ?結 ?語

為了更好地完成對無線傳感網絡定位技術的設計，利用嵌入式節點靈活、精準的優勢對移動網絡定位系統進行創新和優化，設計了無線傳感網絡嵌入節點定位系統，從而達到快速高效、精準定位。為了驗證該系統的實用性進行仿真實驗，實驗結果證實，該方法可有效解決傳統方法中定位信息存在誤差等問題，有效彌補了傳統方法中的不足，達到了精準定位的設計目標。

參考文獻

[1] 徐勝，王海寬，尹志輝.工業無線傳感器網絡嵌入式監聽系統的研究與實現[J].測控技術，2017，36（3）：90?93.

XU Sheng， WANG Haikuan， YIN Zhihui. Research on embedded monitoring system for industrial wireless sensor network [J]. Measurement & control technology， 2017， 36（3）： 90?93.

[2] 姜有光，杜亞江，齊金平，等.嵌入式無線傳感網絡網關設計與遠程維護[J].測控技術，2017，36（3）：94?97.

JIANG Youguang， DU Yajiang， QI Jinping， et al. Embedded wireless sensor network gateway design and remote maintenance [J]. Measurement & control technology， 2017， 36（3）： 94?97.

[3] 陳世文，劉睿強，王一男.改進的無線傳感網絡節點定位系統的設計與研究[J].現代電子技術，2016，39（24）：54?57.

CHEN Shiwen， LIU Ruiqiang， WANG Yinan. Design and research of improved node positioning system for wireless sensor network [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（24）： 54?57.

[4] 王震，郭建.改進TDOA算法的UWB室內定位系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2017，17（5）：34?37.

WANG Zhen， GUO Jian. UWB indoor positioning system based on improved TDOA algorithm [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2017， 17（5）： 34?37.

[5] 鄧昀，李朝慶，程小輝.基于物聯網的智能家居遠程無線監控系統設計[J].計算機應用，2017，37（1）：159?165.

DENG ?Yun， ?LI Chaoqing， CHENG ?Xiaohui. Design of remote wireless monitoring system for smart home based on Internet of Things [J]. Journal of computer applications， 2017， 37（1）： 159?165.

[6] 徐瑞華，王凱敏.面向礦井瓦斯監測的ZigBee無線傳感網系統設計[J].工礦自動化，2017，43（5）：68?71.

XU Ruihua， WANG Kaimin. Design of ZigBee wireless sensor network system for mine gas monitoring [J]. Industry and mine automation， 2017， 43（5）： 68?71.

[7] 王勇，楊杰.基于無線傳感網定位的網關功能模塊的實現[J].青島大學學報（自然科學版），2016，29（1）：80?84.

WANG Yong， YANG Jie. Realization of gateway function module based on wireless sensor network localization [J]. Journal of Qingdao University （natural science edition）， 2016， 29（1）： 80?84.

[8] 董瑋，陳共龍，曹晨紅，等.面向軟件定義架構的無線傳感器網絡[J].計算機學報，2017，40（8）：1779?1797.

DONG Wei， CHEN Gonglong， CAO Chenhong， et al. Towards a software?defined architecture for wireless sensor networks [J]. Chinese journal of computers， 2017， 40（8）： 1779?1797.

[9] 王松濤.基于無線傳感器網絡的環境監測系統設計與應用[J].資源節約與環保，2016（12）：87?88.

WANG Songtao. Design and implementation of smart home control system based on WSN node technology [J]. Resources eco?nomization & environment protection， 2016（12）： 87?88.

[10] 王莘.無線傳感器網絡節點節能技術分析[J].電子設計工程，2017，25（18）：126?130.

WANG Shen. Wireless sensor network node energy saving technical analysis [J]. Electronic design engineering， 2017， 25（18）： 126?130.

[11] 王能河，周崎，王飛，等.基于NRF24L01的嵌入式Linux大型場所盆栽自動澆灌系統[J].電子測量技術，2017，40（3）：177?181.

WANG Nenghe， ZHOU Qi， WANG Fei， et al. Automatic watering system for potted plant based on Linux and NRF24L01 [J]. Electronic measurement technology， 2017， 40（3）： 177?181.

[12] 胡國強，李茵，蔚繼承.基于6LoWPAN和CoAP的農業環境信息傳感系統的設計與實現[J].現代電子技術，2016，39（23）：152?156.

HU Guoqiang， LI Yin， WEI Jicheng. Design and implementation of agri?environmental information sensing system based on 6LoWPAN and CoAP [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（23）： 152?156.

[13] 王緒海，姚曉峰.基于嵌入式系統的物聯網網關的設計[J].信息通信，2016，42（1）：64?66.

WANG Xuhai， YAO Xiaofeng. Design of IOT gateway based on embedded system [J]. Information communication， 2016， 42（1）： 64?66.