摘 要： 基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡定位系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)由參考title="節(jié)點">節(jié)點、移動節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點和嵌入式Web服務器組成，本文詳細介紹了其硬件設計和軟件設計。經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)定位效果好，實用性強。
關鍵詞： 無線傳感網(wǎng)；節(jié)點；嵌入式Web服務器
無線傳感器網(wǎng)絡[1]WSNs(Wireless Sensor Networks)被廣泛應用于環(huán)境探測、天氣預報、安全、監(jiān)控以及分布式計算和目標區(qū)域成像等領域，在軍事、醫(yī)療和民用等方面的應用具有深遠意義。在傳感器網(wǎng)絡中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測活動至關重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器監(jiān)測信息中所包含的重要信息，沒有位置的監(jiān)測消息往往是毫無意義的。因此，確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡最基本的功能之一，對傳感器網(wǎng)絡應用的有效性起著關鍵作用。
ZigBee技術[2]是一個具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標準。本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡工作在全球通用的ISM(Industrial Scientific and Medical)免付費頻段2.4 GHz上，其數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kb/s，劃分為16個信道。與藍牙或802.11等同屬于短距離無線通信的技術相比，ZigBee技術具有先天優(yōu)勢。ZigBee設備為低功耗設備，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示的功能。同時，由于采用了碰撞避免機制(CSMA-CA)，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的沖突。在網(wǎng)絡安全方面，采用了密鑰長度為128 bit的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理，保證了數(shù)據(jù)傳輸時的高可靠性和安全性。用ZigBee技術組成的無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構簡單、體積小、性價比高、放置靈活、擴展簡便、成本低、功耗低、安全可靠，這種新興的無線傳感器網(wǎng)絡必將有廣泛的應用前景。
1 無線傳感網(wǎng)定位系統(tǒng)設計
1.1 設計思想
本系統(tǒng)的主要設計思想是：先在監(jiān)測區(qū)域布置一定的參考節(jié)點，參考節(jié)點的作用是在定位過程中起參考點的作用，不參與定位；移動節(jié)點就是定位節(jié)點，通過參考節(jié)點來確定自己的位置；網(wǎng)關節(jié)點一方面配置參考節(jié)點的位置信息，同時接收移動節(jié)點的位置信息發(fā)送給Web服務器，Web服務器接入網(wǎng)絡可以實現(xiàn)遠程訪問和控制。系統(tǒng)框圖如圖1。
1.2 硬件設計
1.2.1 節(jié)點硬件設計
無線傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。由于在本設計中主要考慮定位，所以傳感器模塊只是為了以后擴展用的。圖2是一般節(jié)點(作為參考節(jié)點或者移動節(jié)點)的原理框圖。
由于網(wǎng)關節(jié)點要和PC機或者Web服務器連接，所以要帶串口。網(wǎng)關節(jié)點原理如圖3。
本系統(tǒng)節(jié)點有參考節(jié)點、移動節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點3種。下面介紹節(jié)點系統(tǒng)的組成。
(1)處理器芯片
CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，能滿足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡的應用需要。CC2431定位引擎基于接收信號強度指示RSSI（Received Signal Strength Indicator）技術，根據(jù)接收信號強度與已知參考節(jié)點位置準確計算出有關節(jié)點位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端。相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能降低了網(wǎng)絡流量與通信延遲。
(2)傳感器芯片
SHT11是瑞士 Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領域，具有集成度高、接口簡單、測量精度高并可編程調(diào)節(jié)、封裝尺寸超小、可靠性高的特點。
(3)天線
天線設計是系統(tǒng)設計的關鍵，系統(tǒng)中其余模塊只是芯片的級聯(lián)，只有這一部分需要自己設計。由于射頻信號的頻率達到2.4 GHz，微波波長與傳輸線的長度已經(jīng)達到同等數(shù)量級。傳輸線末端的微波反射和駐波等問題不可忽視，否則會產(chǎn)生惡劣的影響。解決這些問題的關鍵在于傳輸線特征阻抗與天線阻抗的良好匹配與控制。
系統(tǒng)設計中使用了2種天線。一種是外接的2.4 G天線，通過SMA頭連接，市場上有成熟的外接天線；另一種是采用倒F型的微帶天線，其制作成本很低，微波饋線采用微帶傳輸線與敷銅底板的介質(zhì)板上的帶狀線相同，具有較好的微波傳輸特性和較低的傳輸損耗。
1.2.2 Web服務器硬件設計
目前，無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸主要是采用多跳實現(xiàn)的遠距離傳輸，但是由于多跳的不穩(wěn)定性給數(shù)據(jù)傳輸帶來很大不便，同時使用串口的數(shù)據(jù)也不能實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。為了實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)控，本系統(tǒng)采用嵌入式Web服務器接入網(wǎng)絡的方法實現(xiàn)遠距離傳輸。圖4是Web服務器原理框圖。
(1)處理器芯片
S3C44B0[3]是SAMSUNG公司推出的16/32 bit RISC處理器，為手持設備和一般應用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。S3C44BOX使用ARM7TDMI內(nèi)核，采用0.25 μm CMOS工藝制造。它的低功耗和全靜態(tài)設計特別適用于對成本和功耗敏感的應用。
(2)以太網(wǎng)接口
網(wǎng)絡接口芯片使用RTL8019AS，它符合NE2000，提供了自動檢測10BaseT集成收發(fā)器RJ45，有2種工作模式：8 bit的DMA(只能用芯片地址0x4000-0x5fff)和16 bit的DMA(可用到0x6000－7fff)。這里的地址只是指芯片內(nèi)的地址，而非總線地址。
RTL8019AS網(wǎng)絡芯片要模擬的網(wǎng)絡芯片內(nèi)部RAM共2塊：(1)0x0000－0x000B，12 B，頁號為0x00，存放MAC地址(奇數(shù)和偶數(shù)存放的MAC地址是一樣的，目的在于方便16 bit DMA讀取)。(2)0x4000－0x5FFF，8192 B，頁號為0x40－0x60（只用到0x5f，0x60為結(jié)束邊界），用于存放收發(fā)的數(shù)據(jù)包緩沖，具體收發(fā)多少由驅(qū)動程序初始化決定。至于發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)的大小可以根據(jù)具體需要決定。
以太網(wǎng)接口使用的是帶有變壓器的RJ45接口。
(3)USB接口
ISP1161為ISP1161A1的第一代芯片，也是業(yè)界第一款在單芯片內(nèi)集成USB主機端與USB設備端功能的產(chǎn)品，可提供點對點連接。它可以透過軟件控制扮演獨立型主機或設備，甚至同時兼具主機與設備的功能。它擁有一個16 bit并行輸出入(PIO)與DMA接口，可以連接到市場上多數(shù)的RISC指令集處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)與微控器。它完全符合USB2.0規(guī)格，非常適合嵌入式或會聚式系統(tǒng)。
1.3 軟件設計
1.3.1 網(wǎng)關節(jié)點軟件設計
網(wǎng)關節(jié)點在整個系統(tǒng)中有著重要的作用，首先要接收對參考節(jié)點的配置數(shù)據(jù)，其次還要接收各節(jié)點反饋的有效數(shù)據(jù)。其工作流程如圖5。
1.3.2 參考節(jié)點軟件設計
參考節(jié)點是一種靜態(tài)節(jié)點，其坐標位置是固定的，并且不參與定位計算。其工作流程如圖6。
1.3.3 移動節(jié)點軟件設計
移動節(jié)點可在移動區(qū)域里任意移動。電腦各位節(jié)點通過接收定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點的RSSI值[4]后，經(jīng)過定位算法來計算其坐標位置。定位節(jié)點軟件流程圖如圖7。
1.3.4 Web服務器軟件設計
嵌入式Web服務器采用μClinux操作統(tǒng)，它是專門為無存儲器管理單元(MMU)微控制器設計的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。μClinux是基于Linux內(nèi)核開發(fā)的，它是在GNU公共許可證(GPI)下發(fā)布的自由軟件。μClinux經(jīng)過對標準Linux內(nèi)核的改動，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，但μClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持以及豐富的API。
軟件設計步驟為：(1)移植u-boot；(2)建立交叉編譯環(huán)境；(3)μClinux操作系統(tǒng)的移植；(4)boa服務器的移植；(5)應用程序的編寫。
1.3.5 服務器界面的設計
服務器界面采用動態(tài)和靜態(tài)的網(wǎng)頁實現(xiàn)。為了使得本系統(tǒng)的瀏覽器窗口呈現(xiàn)更為靈活的功能，采用了HTML多框架結(jié)構，這樣在瀏覽器上便可以一次顯示多篇文檔，相互配合，相互轉(zhuǎn)換，如圖8所示。其中“系統(tǒng)主頁”、“關于我們”、“在線幫助”頁面和“聯(lián)系我們”網(wǎng)頁為靜態(tài)頁面，沒有與CGI程序的數(shù)據(jù)交互。“認證頁面”、“系統(tǒng)狀態(tài)查詢”、“定位查詢”、“節(jié)點配置”頁面為動態(tài)頁面，分別與3個不同的CGI程序鏈接，用于接收或返回實時數(shù)據(jù)或信息。
所有HTML文件及需鏈接的圖像文件也均放人/μClinux-dist/vendors/tmpt目錄下暫存。
2 系統(tǒng)測試
本系統(tǒng)主要由2部分組成：(1)由參考節(jié)點、移動節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點組成的定位系統(tǒng)。(2)網(wǎng)關節(jié)點和嵌入式Web服務器之間的通信通過串口實現(xiàn)，嵌入式Web服務器可以通過以太網(wǎng)接入網(wǎng)絡，也可以通過USB實現(xiàn)傳輸。具體步驟如下：
(1)將參考節(jié)點布置在一定的區(qū)域，本次選擇8個參考節(jié)點；
(2)配置參考節(jié)點，即給參考節(jié)點初始化一個位置信息；
(3)將移動節(jié)點放置在參考節(jié)點區(qū)域內(nèi)，本次選擇4個移動節(jié)點作為測試用；
(4)網(wǎng)關節(jié)點和嵌入式服務器通信，將定位信息通過網(wǎng)頁界面顯示出來。
通過多次改變移動節(jié)點的位置來測量移動節(jié)點的位置，然后與實際位置進行比較，表1和表2是以移動節(jié)點1為例在不同區(qū)域內(nèi)進行測量的結(jié)果。
從上表可以看出本定位系統(tǒng)定位在區(qū)域不大的情況下，定位準確性很高。
經(jīng)試驗，本定位系統(tǒng)在空曠的地方定位效果良好，但是也受環(huán)境影響，如受房間墻壁、玻璃及金屬對天線的影響。如果碰到這些情況應盡量使用外接天線，這樣的效果會好。
參考文獻
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