摘  要： 基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)由參考title="節(jié)點(diǎn)">節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和嵌入式Web服務(wù)器組成，本文詳細(xì)介紹了其硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)定位效果好，實(shí)用性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)；節(jié)點(diǎn)；嵌入式Web服務(wù)器

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]WSNs(Wireless Sensor Networks)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境探測(cè)、天氣預(yù)報(bào)、安全、監(jiān)控以及分布式計(jì)算和目標(biāo)區(qū)域成像等領(lǐng)域，在軍事、醫(yī)療和民用等方面的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器監(jiān)測(cè)信息中所包含的重要信息，沒有位置的監(jiān)測(cè)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(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵作用。
　　ZigBee技術(shù)[2]是一個(gè)具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在全球通用的ISM(Industrial Scientific and Medical)免付費(fèi)頻段2.4 GHz上，其數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kb/s，劃分為16個(gè)信道。與藍(lán)牙或802.11等同屬于短距離無線通信的技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)具有先天優(yōu)勢(shì)。ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備，具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示的功能。同時(shí)，由于采用了碰撞避免機(jī)制(CSMA-CA)，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的沖突。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，采用了密鑰長(zhǎng)度為128 bit的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理，保證了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的高可靠性和安全性。用ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、性價(jià)比高、放置靈活、擴(kuò)展簡(jiǎn)便、成本低、功耗低、安全可靠，這種新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將有廣泛的應(yīng)用前景。
1 無線傳感網(wǎng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)思想
　　本系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想是：先在監(jiān)測(cè)區(qū)域布置一定的參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)的作用是在定位過程中起參考點(diǎn)的作用，不參與定位；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就是定位節(jié)點(diǎn)，通過參考節(jié)點(diǎn)來確定自己的位置；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一方面配置參考節(jié)點(diǎn)的位置信息，同時(shí)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息發(fā)送給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和控制。系統(tǒng)框圖如圖1。

1.2 硬件設(shè)計(jì)
1.2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)中主要考慮定位，所以傳感器模塊只是為了以后擴(kuò)展用的。圖2是一般節(jié)點(diǎn)(作為參考節(jié)點(diǎn)或者移動(dòng)節(jié)點(diǎn))的原理框圖。
　　由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)要和PC機(jī)或者Web服務(wù)器連接，所以要帶串口。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)原理如圖3。

　　本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)有參考節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)3種。下面介紹節(jié)點(diǎn)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(luò)的應(yīng)用需要。CC2431定位引擎基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI（Received Signal Strength Indicator）技術(shù)，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度與已知參考節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確計(jì)算出有關(guān)節(jié)點(diǎn)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(luò)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(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，具有集成度高、接口簡(jiǎn)單、測(cè)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(diǎn)。
      (3)天線
      天線設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，系統(tǒng)中其余模塊只是芯片的級(jí)聯(lián)，只有這一部分需要自己設(shè)計(jì)。由于射頻信號(hào)的頻率達(dá)到2.4 GHz，微波波長(zhǎng)與傳輸線的長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到同等數(shù)量級(jí)。傳輸線末端的微波反射和駐波等問題不可忽視，否則會(huì)產(chǎn)生惡劣的影響。解決這些問題的關(guān)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(shè)計(jì)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(chǎng)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(wù)器硬件設(shè)計(jì)
　　目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸主要是采用多跳實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)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(shí)使用串口的數(shù)據(jù)也不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。圖4是Web服務(wù)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(shè)備和一般應(yīng)用提供了高性價(jià)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(shè)計(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用。
　　(2)以太網(wǎng)接口
       網(wǎng)絡(luò)接口芯片使用RTL8019AS，它符合NE2000，提供了自動(dòng)檢測(cè)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(luò)芯片要模擬的網(wǎng)絡(luò)芯片內(nèi)部RAM共2塊：(1)0x0000－0x000B，12 B，頁(yè)號(hào)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(yè)號(hào)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(dòng)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(jī)端與USB設(shè)備端功能的產(chǎn)品，可提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。它可以透過軟件控制扮演獨(dú)立型主機(jī)或設(shè)備，甚至同時(shí)兼具主機(jī)與設(shè)備的功能。它擁有一個(gè)16 bit并行輸出入(PIO)與DMA接口，可以連接到市場(chǎng)上多數(shù)的RISC指令集處理器、數(shù)字信號(hào)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(huì)聚式系統(tǒng)。
1.3 軟件設(shè)計(jì)
1.3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
       網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)中有著重要的作用，首先要接收對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)，其次還要接收各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
       參考節(jié)點(diǎn)是一種靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)位置是固定的，并且不參與定位計(jì)算。其工作流程如圖6。

1.3.3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
       移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可在移動(dòng)區(qū)域里任意移動(dòng)。電腦各位節(jié)點(diǎn)通過接收定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值[4]后，經(jīng)過定位算法來計(jì)算其坐標(biāo)位置。定位節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖7。

1.3.4 Web服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
      嵌入式Web服務(wù)器采用μClinux操作統(tǒng)，它是專門為無存儲(chǔ)器管理單元(MMU)微控制器設(shè)計(jì)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核的改動(dòng)，形成了一個(gè)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(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對(duì)各種文件系統(tǒng)完備的支持以及豐富的API。
      軟件設(shè)計(jì)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(wù)器的移植；(5)應(yīng)用程序的編寫。
1.3.5 服務(wù)器界面的設(shè)計(jì)
      服務(wù)器界面采用動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的網(wǎng)頁(yè)實(shí)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(gòu)，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(yè)”、“關(guān)于我們”、“在線幫助”頁(yè)面和“聯(lián)系我們”網(wǎng)頁(yè)為靜態(tài)頁(yè)面，沒有與CGI程序的數(shù)據(jù)交互。“認(rèn)證頁(yè)面”、“系統(tǒng)狀態(tài)查詢”、“定位查詢”、“節(jié)點(diǎn)配置”頁(yè)面為動(dòng)態(tài)頁(yè)面，分別與3個(gè)不同的CGI程序鏈接，用于接收或返回實(shí)時(shí)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(cè)試
 　　本系統(tǒng)主要由2部分組成：(1)由參考節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成的定位系統(tǒng)。(2)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和嵌入式Web服務(wù)器之間的通信通過串口實(shí)現(xiàn)，嵌入式Web服務(wù)器可以通過以太網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)，也可以通過USB實(shí)現(xiàn)傳輸。具體步驟如下：
　　(1)將參考節(jié)點(diǎn)布置在一定的區(qū)域，本次選擇8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)；
　　(2)配置參考節(jié)點(diǎn)，即給參考節(jié)點(diǎn)初始化一個(gè)位置信息；
      (3)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放置在參考節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，本次選擇4個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為測(cè)試用；
      (4)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和嵌入式服務(wù)器通信，將定位信息通過網(wǎng)頁(yè)界面顯示出來。
      通過多次改變移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置來測(cè)量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，然后與實(shí)際位置進(jìn)行比較，表1和表2是以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)1為例在不同區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)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(zhǔn)確性很高。
      經(jīng)試驗(yàn)，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(duì)天線的影響。如果碰到這些情況應(yīng)盡量使用外接天線，這樣的效果會(huì)好。
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