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基于DSP的無線傳感器網絡定位設計

發(fā)布時間:2016-12-20 責任編輯:susan

【導讀】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。

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。
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