改进的无线传感网络节点定位系统的设计与研究

陈世文　刘睿强　王一男

摘 要： 由于传感器网络节点容易受到干扰，传统的无线传感器网络节点定位系统无法对预定位信息进行有效控制，定位精度和定位效率均不高，故设计定位精度和定位效率均较高的无线传感网络节点定位系统。该系统利用CC2430芯片控制全局，对复位电路、调试电路和串口电路进行重点改进。CC2430芯片利用差分控制方法对系统运行中产生的预定位信息进行控制，获取预定位物体的最终定位信息。复位电路对传入系统的预定位物体信息进行分类，将预定位信息实时传输至串口电路，其自身状态信息将传输至调试电路。调试电路对复位电路中的电流和元件能耗进行调试，保障复位电路的正常运行。串口电路通过协调器与CC2430芯片连接，实现预定位信息向CC2430芯片的高效、精准传输。软件给出系统定位函数，以及虚拟测量计算方法的定位流程图。实验结果表明所设计的系统拥有较高的定位精度和定位效率。

关键词： 系统改进； 无线传感网络； 节点定位系统； CC2430芯片

中图分类号： TN915?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 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

无线传感网络是由多个传感器节点以特定方式构成的，在当今社会应用较为广泛，其拥有的数据采集、感应、监控等功能，使其在定位领域也取得了较好的成效[1?3]。相比GPS定位系统而言，传感器网络节点定位系统更加稳定，现已成为定位领域的新型替代品。但传感器网络节点容易受到干扰，传统的无线传感器网络节点定位系统无法对预定位信息进行有效控制，定位精度和定位效率均不高，科研组织已开始着手对其进行改进[4?6]。

传统的无线传感网络节点定位系统均存在一些问题，如文献[7]设计“微尘”无线传感网络节点定位系统，所谓“微尘”即是微型算法无线传感器节点。该系统将含有300个“微尘”节点的无线传感器网络部署在需要进行定位的物体上，利用远程监控的方式对物体进行定位，并获取了较高的定位精度，但其硬件部分容易损坏且维修复杂。文献[8]设计基于人体视觉的无线传感网络节点定位系统，该系统拥有强大的任务分配能力，能够较好地利用人体视觉原理对物体进行定位，定位效率较高，但系统的抗干扰能力较弱，导致其定位精度不高。文献[9]设计数字化监测无线传感网络节点定位系统，该系统能够实时监测需要定位物体的坐标和状态，并对不良干扰实施数字化报警。整个系统的定位精度较高，但由于监测工作耗费时间过长，导致其定位效率不高。文献[10]设计基于轨迹绘制的无线传感网络节点定位系统，该系统能够对需要定位的物体进行实时轨迹绘制，曾被用于各国战争中，并获取了较高的评价，但其实现复杂，运行成本较为昂贵。为了解决以上问题，设计一种拥有较高定位精度和定位效率的改进无线传感网络节点定位系统。实验结果证明，所设计的系统定位精度和定位效率均较高，较好地达成了设计初衷。

1 改进的无线传感网络节点定位系统设计

传统的无线传感网络节点定位系统虽整体性能不高，但其中一些系统的设计是具有较高的定位精度或定位效率的。所设计的改进无线传感网络节点定位系统利用这些系统的优点，对其中不完善之处进行改进，提高系统的定位精度和定位效率。改进的无线传感网络节点定位系统采用嵌入式设计，利用节点定位芯片控制全局，并对复位电路、调试电路和串口电路进行重点改进。

1.1 节点定位芯片设计

节点定位芯片是改进的无线传感网络节点定位系统中的“管理阶层”，节点定位芯片的性能影响整个系统的定位精度和定位效率。为此，所选节点定位芯片必须具有较强的控制准确性和控制效率，可对预定位信息进行有效控制，以提高系统定位精度和定位效率，且节点定位芯片的成本应在普通使用者能够承受的范围之内。

CC2430芯片是某境外公司设计的一款低成本、高性能、设计较为成熟的控制芯片，其能够在不同类型的无线传感网络中正常工作，并对预定位物体的预定位信息进行有效控制。CC2430芯片拥有高性能的射频收发器和8051内核，其最大闪存量为128 KB，并配置了多种类型的外设接口，能够与外围电路完美相连。为此，选取CC2430芯片作为改进的无线传感网络节点定位系统的节点定位芯片，图1是CC2430芯片内部电路图。

由图1可知，CC2430芯片利用差分控制方法对改进的无线传感网络节点定位系统运行中产生的信息进行控制，射频收发器是这些信息的收发媒介。图1中的低噪音放大器和缩减输出器均位于射频收发器中。在系统进行预定位信息的传输过程中，低噪音放大器首先将预定位信息进行频率放大，模拟调制器和数字调制器通过对电阻R1和R2进行自动增益控制，将放大后的预定位信息变为预定位数字信息，并对其进行计算。此后，预定位物体的最终定位信息便能够非常清晰地浮现出来，对这些定位信息进行提取，再经由缩减输出器缩减信息频率，最终获取到所需的无线传感器网络节点定位信息。

1.2 复位电路设计

复位电路能够对传入改进的无线传感网络节点定位系统的预定位物体信息进行分类，并将其中具有定位能力的预定位信息传输到调试电路。复位电路见图2。

由图2可知，所设计的改进的无线传感网络节点定位系统根据定位信息具有的一些特性参数，对传入其中的预定位物体信息进行事前定义，为其中具有定位能力的预定位信息赋予低电压和低电流。当低电压和低电流进入到复位电路中，R3上不会产生电流和电压变化，电路则会产生低电平。而当非低电压和非低电流信息进入复位电路，则会产生高电平。开关S1感应到电路中的高电平后会自动断开连接，阻隔不具有定位能力信息的传输。CC2430芯片直接为开关S1提供开合指令。复位电路将所获取到的预定位信息实时传输至串口电路，复位电路的自身状态信息则将传输至调试电路进行调试。

1.3 调试电路设计

由于复位电路的工作量较大，极易发生电路元件损坏的情况，故在改进的无线传感网络节点定位系统设计中加入调试电路，保障复位电路的正常运行。调试电路具有调试电路电流和元件能耗的作用，也是预定位信息的预处理中心，如图3所示。

由图3可知，所设计的改进的无线传感网络节点定位系统中的调制电路，拥有16个调试接口，其中的控制管理接口直接与CC2430芯片相连，CC2430芯片对调制电路的控制包括时钟信息控制管理和传输驱动。调试电路利用测试包测试复位电路中各元件的运行状态，一旦发现复位电路中电流和元件超负荷运行，调试电路随即利用传输驱动端口向CC2430芯片发送控制请求，经由CC2430芯片缩减传入复位电路中的信息数量，达到调试超负荷状态的目的，保障复位电路的正常运行。

1.4 串口电路设计

串口电路可实现预定位信息向CC2430芯片的高效、精准传输。传统的无线传感网络节点定位系统通常将串口电路与节点定位芯片直接相连，而在所设计的改进的无线传感网络节点定位系统中，串口电路则选用通过协调器连接CC2430芯片的方式，如图4所示。

由图4可知，串口电路选用6芯接口与CC2430芯片相连接。由于CC2430芯片与串口电路的信息参数不同，故在连接处加入两个电容对预定位信息的参数进行调节，协调器为该调节工作提供数字控制。

2 改进的无线传感网络节点定位系统软件设计

改进的无线传感网络节点定位系统定位函数是采用关联计算方法求得的。关联计算方法是一种能够根据数据间关联程度进行分析、计算的方法。时延[D]是指信息从网络的一端传递至另一端的同时，关联计算方法通过计算预定位物体与无线传感网络节点的时延，将其乘以系统传输速率得出二者距离，进而对预定位物体进行准确定位。由于系统传输速率为已知参数，故只需对时延[D]进行求取，便能够完成对预定位物体的定位。

用[x1（t）]，[x2（t）]表示无线传感网络节点接收到的两种预定位物体信息，分别是预定位物体自身参数和预定位物体外界干扰参数；[S（t）]表示源信息；[n1（t）]，[n2（t）]表示加性干扰。由于[S（t）]和[n1（t）]，[n2（t）]均满足正态平稳随机函数，其均值和方差分别为0和1，且互不干扰，则预定位物体信息的函数表达式为：

式中，[Rs]代表改进的无线传感网络节点定位系统预设的标准关联度函数，该值处于特定范围中。由于[Rs（τ-D）≤Rs（0）]，故当[Rs（τ=D）]取最大值时，[τ=D]，此时便可获取预定位物体的时延[D]。

为了确保所计算出的时延[D]的准确性，需要进行两次计算，将两次计算结果进行改进后，将二者的平均值作为预定位物体的定位目标函数。改进的无线传感网络节点定位系统的第二次计算采用虚拟测量计算方法，图5为虚拟测量计算方法的定位流程。

由图5可知，虚拟测量计算方法将预定位物体安置在无线传感器网络的特定节点上，测量出无线传感器网络节点上预定位物体节点时延[D1]，再将预定位物体的位置还原，此时的时延[D]可用式（3）表示：

[D=cvΔT+D1] （3）

式中：[cv]为还原点距无线传感器网络节点的距离；[ΔT]为无线传感器网络节点上的预定位物体与还原点之间的时延参数。

预定位物体的定位结果受环境干扰较大，软件根据这一特性给出定位结果改进函数[c]为：

[c=DTrM] （4）

式中：[M]代表预定位物体环境中干扰因素的分子量；[r]和[T]分别代表其比热和温度。利用式（4）对两次定位结果进行改进，再求取定位结果的平均值，将其乘以系统传输速率，即可得出最终的定位结果。

3 实验验证

3.1 定位精度验证

在对本文系统定位精度的验证实验中，选择5个不同坐标点的预定位物体，利用本文系统、数字化监测系统和轨迹绘制系统对这5个物体同时进行定位。实验中，干扰因素的干扰时间和强度均随机加入。表1描述的是预定位物体实际坐标统计表，表2描述的是三个系统定位结果统计表。

由表1、表2可知，若直接将两表中的数据进行对比，所得的精度验证结果并不会产生明显对比，故将三个系统的定位精度计算出来，定位精度[u]的计算公式为：

[u=D2-D1D1×100%] （5）

式中：[D1]表示物体实际坐标值；[D2]表示系统定位结果。将计算出的定位精度结果汇总成曲线图，如图6所示。

由图6可知，本文系统的定位精度曲线始终低于另外两个系统的定位精度曲线，维持在[4.2%，5.9%]的范围内，即本文系统的定位精度较比传统的数字化监测系统、轨迹绘制系统定位精度而言获取了较大的提高，验证了本文系统具有较高的定位精度。

3.2 定位效率验证

将以上三个系统输出定位结果的时间进行记录，如表3所示。

表3 三个系统定位时间统计表 s

由表3可知，系统定位时间由长到短的顺序依次是数字化监测系统、轨迹绘制系统、本文系统。由上述结果能够非常明确地得出，本文系统具有较高的定位效率。

4 结 论

本文设计改进的无线传感网络节点定位系统，该系统利用CC2430芯片控制全局，对复位电路、调试电路和串口电路进行重点改进。CC2430芯片利用差分控制方法对系统运行中产生的预定位信息进行控制，获取预定位物体的定位信息。复位电路对传入系统的预定位物体信息进行分类，将预定位信息实时传输至串口电路，其自身状态信息将传输至调试电路。调试电路对复位电路中的电流和元件能耗进行调试，保障复位电路的正常运行。串口电路通过协调器与CC2430芯片连接，实现预定位信息向CC2430芯片的高效、精准传输。软件给出系统定位函数，以及虚拟测量计算方法的定位流程图。实验证明，所设计的系统拥有较高的定位精度和定位效率。

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