[摘 要]无线传感器网络是能够改变人类未来生活的新兴技术之一。在很多情况下,传感器采集的数据要结合其位置信息才有意义。文章首先提出了一种利用超声波测距的改进型toa无锚定位算法。
[关键词]无线传感器网络;定位算法;超声波测距;硬件平台
1 引 言
随着微电子技术、分布式信息处理技术、低功耗技术和无线通信等技术的飞速发展,设计低功耗多功能的无线传感器节点成为可能。传感器节点作为无线传感器网络的基本单元,其设计的优劣直接影响到整个网络的性能。本文提出了一种利用超声波测距的改进型无锚定位算法,并针对该算法,设计了一款以c8051f020和cc2430为核心器件的无线传感器节点硬件平台。
2 利用超声波测距的改进型toa无锚定位算法
现有基于距离的定位算法主要有toa、tdoa、aoa和rssi等。toa算法精度较高,但其要求整个网络的节点间保持精确的时间同步,对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。并且toa需要相当数量的锚节点来辅助未知节点进行定位。为解决这两个问题,本文借鉴超声波测距和aoa定位的思想,提出了一种利用超声波测距结合来波方向进行定位的无锚定位算法。算法利用超声波自发自收的方式解决了传统toa需要收发节点间时间同步的问题,用测得的距离结合来波方向进行定位,可以确定全网节点的相对位置关系,若需定出绝对经纬度坐标,仅需加入少量锚节点即可。
超声波传播距离有限,在空气中一般只能传播十几米到几十米,在监测区域范围较大时,节点只能与距自己较近的邻居节点测距。WWW.11665.CoM因此,考虑采用分簇的方式,各簇首先在自己簇内建立坐标系,对簇内节点进行定位,建立簇内节点的相对位置关系。之后,若需要在整个网络建立统一的坐标系,可利用两个簇共有的边界节点来协调相互的位置关系,完成对整个网络的定位。另外,由于超声波传播方向性较强,每个节点将配置多组超声波探头进行测距和来波方位测量,使得节点能够在360度范围内进行测距。
节点随机部署于被监测区域后,经分簇算法(例如leach)选出簇头,簇头用射频信号向周围节点发送数据包宣布自己为簇头。其他节点持续侦听,在其通信范围内选择信号强度最强的一个或两个簇头加入该簇。可以收到两个簇头广播的普通节点称为边界节点。边界节点在定位过程中将分别存储自己在两个簇中的坐标信息,它们将在整个网络统一坐标系时发挥重要的作用。
簇建立阶段完成后,簇头a通过测距在簇内挑选一个距其较远的节点b(太近的节点容易引起较大的定位误差),以a为坐标系原点,ab连线为坐标系的y轴正方向,y轴顺时针90度方向为x轴正方向建立坐标系。之后,簇头通过射频信号通知簇内节点坐标系已经建立,簇内各节点即可以a、b为锚节点,通过测量与a、b的距离进行定位。假设a(0,0),b(0,m),需要定位的节点c(x,y)到a、b距离分别为a、b。c点坐标可通过下面的方程组解出:
其中a、b和m通过超声波测距得到。可解出关于x、y的两组解。c在测量与a的距离过程中,a通过射频信号告知c是在与自己的哪个超声波探头通信,从而c点得知自己位于哪个象限。如下图所示,c与a节点的编号为2的超声波探头通信,可以得知c位于a、b确定坐标系的第一象限,即x、y为正。
基于超声波测距的簇内节点定位
3 无线传感器信息提取算法实现
3.1 传感器模块
传感器种类很多,根据所监测物理量的不同,可分为温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。目前市场上有很多不同种类、参数各异的传感器。如美国crossbow公司基于mica节点开发的一系列传感器板,采用的传感器有光敏电阻 clairex cl94l、温敏电阻ert j1vr103j、加速度传感器adxl202、磁传感器honeywell hmc1002等。在设计传感器模块时,应该根据应用要求选择参数和性能合适的传感器,并设计相应的驱动电路及信号处理电路。
3.2 无线通信模块及其与处理器模块的接口
本平台的无线通信模块核心为chipcon公司生产的cc2430无线射频芯片。cc2430是一款专门为2.4ghz ieee802.15.4/zigbee所设计的soc,具有低能耗、体积小、输出功率和收发频率可编程的优点。其最大收发速率为250kbps(2mchip/s)。cc2430其他特性还包括:硬件支持的csma/ca功能;较宽的电压支持范围(2.0v~3.6v);数字化的rssi/lqi;支持强大的dma功能;电池监测和温度感测功能;较少的外围电路以及强大灵活的开发工具。该芯片可用于家庭/楼宇自动化、工业控制以及低功耗无线传感器网络等应用场合。cc2430芯片采用0.18umcmos工艺生产,工作时电流损耗约为27ma;在掉电模式下仅有0.5ua的电流损耗,外部中断或rtc能唤醒系统;在待机模式下电流损耗仅为0.3ua,外部中断能唤醒系统。cc2430的休眠模式和在超短时间内转换到工作模式的特性,特别适合于那些要求电池寿命非常长的应用。
3.3 超声波测距过程
超声波测距过程如下:假设节点a需要测距。在发射端,处理器c8051f020控制节点a的8个发射探头以轮询的方式向8个方向发射超声波,若节点b某接收探头收到该轮询超声波,则延迟一个预定时间(用于抵消处理时延)用于接收探头同方向的发射探头回射超声波,并通过无线信号告知节点a自己的网内唯一id和接收到轮询超声波的接收探头的方向。a通过计算得知到节点b的距离和与自己的方位关系。在接收端,c8051f020通过p3.0、p3.1和p3.2控制8选1器件74hc4051,轮流检查接收探头中哪个收到了超声波信号。例如,探头1收到信号,在p3.0~p3.2=000时,该信号将经由8选1、可变增益放大器后进入c8051f020的比较器与预设的门限进行比较,若信号强度大于门限,则判定探头1收到超声波信号。若p3.0~p3.2从000、001变化到111仍没有检测到有信号强度大于比较器的预定门限,此时有两种操作,一种是直接判定该节点周围没有其他邻居节点,即该节点为孤点;另一种是通过降低比较器门限或增大可变增益放大器放大倍数的方法重新进行检测,以探测更远距离上的节点。需要说明的是,处理器c8051f020控制p3.0~p3.2口进行轮询检测的速度应足够快,至少要为发射端轮询速度的8倍(未收到信号直接判定孤点情况下),以便在超声波信号存在周期内能够将所有接收探头检查一遍。在未收到信号时通过降低比较器门限或增大可变增益放大器放大倍数的方法重新进行检测的情况下,p3.0~p3.2轮询速度应大于发射端轮询速度的16倍,从而在超声波信号存在周期内将所有接收探头检查两遍以上。
4 结 论
传感器节点是构成无线传感器网络的基本单元,因此,其设计对于整个网络的性能至关重要。本文首先提出了一种利用超声波测距结合来波方向的改进型toa无锚定位算法,该算法克服了传统toa需要全网节点精确时间同步和相当数量锚节点的问题。
参考文献:
[1]孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络[m].北京:清华大学出版社,2005.
[2]马祖长,孙怡宁,梅涛.无线传感器网络综述[j].通信学报,2004,25(4):114-124.
[3]沙超,董挺挺,王汝传.无线传感器网络硬件平台的研究与设计[j].电子工程师,2006,5(32):52-55.
[4]王龙军.无线传感器网络平台研究与实现[d].南京:南京航空航天大学,2007.
