无线传感器网络（WSN）定位系统设计

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，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CC243l，在典型应用中可实现3～5 m定位精度和0.25 m的分辨率，由于定位算法被固化，导致其应用缺少灵活性。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805l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、AESl28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l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。  

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定位结点硬件设计框图  

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。  

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0．35μm。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。  


  
图3 感器网络定位通信网流程  

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。  


  
图4 盲节定点位流程  


  
图5 网关节定点位流程