「深度」基於無線網路的定位與通信系統硬軟體設計實現
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今日薦文
今日薦文的作者為中國航太系統科學與工程研究院專家李沫，孫鳳麗，李亞，周東紅。本篇節選自論文《基於無線網路的定位與通信系統硬軟體設計實現》，發表於《中國電子科學研究院學報》第12卷第5期。
摘 要：本文採用星形網路構成5節點無線網路定位與通信系統，重點研究系統節點硬體設計實現和定位與通信演算法軟體設計。實驗室調試和湖上試驗表明，所完成的整個軟硬體系統穩定可靠、可同時獲得位置和節點狀態等資訊、功耗低、成本低廉、實現無人值守、可快速部署的功能。
1 引 言
美國商業週刊和MIT技術評論在預測未來技術發展的報告中，分別將無線感測器網路列為21世紀最有影響力的21項技術和改變世界的10大技術之一。
在醫療和醫護領域，可以在住院病人身上安裝感測器節點，醫生利用無線感測器網路就可以隨時瞭解病人的情況，發生異常情況時能迅速搶救[3]。
在建築領域，具有溫度、濕度及有害氣體濃度探測功能的感測器節點組成的無線感測器網路可搭建在室內，
無線感測器網路還可應用於交通控制管理[5]、工業控制、油田測控、水文監測等重要領域。由於很多應用領域需要在無人值守的區域裡大量部署感測器節點，並且能夠可同時獲得位置等資訊。
因此設計具有系統穩定可靠、功耗低、成本低廉、實現無人值守、可快速部署等功能的無線定位與通信網路是十分有意義的。
2 系統設計
本系統為基於無線網路的定位與通信系統。它的主要功能是實現對各節點的位置確定，進行資訊採集並將資訊匯總到主控電腦，從而有效的對各節點的位置和狀態進行即時監控。
圖1系統工作原理框圖
主節點中定位與通信模組主要包括：GPS定位模組、艏向測量模組、無線通訊模組、嵌入式系統控制模組和主機通信模組，主節點模組原理框圖如圖2所示。輔節點中定位與通信模組主要包括：GPS定位模組、無線通訊模組、嵌入式系統控制模組和設備控制模組，輔節點模組原理框圖如圖3所示。
圖2主節點模組原理框圖
圖3輔節點模組原理框圖
3 硬體設計與實現
結合目前模組設計的低功耗和小型化的趨勢，嵌入式系統控制模組選用了TI公司的MSP430FG4618單片機作為智慧模組的主控晶片，通過GPS模組接收定位資訊，用無線通訊模組進行通訊，傳遞定位資訊和控制資訊。
定位定向模組採用星網宇達公司的XW-ADU3601[6]，其定向精度高、雜訊小；動態性好、穩定可靠；輸出每組資料均為獨立計算，無累計誤差；系統回應時間短，抗干擾性強。
無線通訊模組採用KYL-320H型號數傳電臺[7]，這種高速率無線數傳電臺，是一種遠距離無線資料傳輸產品，它體積小，金屬外殼，遮罩性能好，抗干擾性強，內部採用集成功放，TCXO 等高可靠性☆禁☆器件，內置看門狗，產品的穩定性及可靠性極高。
以單片機MSP430作為系統核心實現基於無線網路的定位與通信系統的硬體設計。利用該單片機豐富的週邊模組，結合部分外擴晶片，根據系統的需要，設計主節點和輔節點的硬體結構。主節點硬體結構框圖和輔節點硬體結構框圖分別如圖4和圖5所示。
圖4主節點硬體結構框圖
圖5輔節點硬體結構框圖
結合上圖簡述一下主節點和輔節點的硬體實現。首先，在電壓源穩定的基礎上實現MSP430最小系統的正常工作。利用晶片TUSB3410實現USB到UART的轉換，實現PC機與MSP430之間的U口通信。利用晶片MAX3232，對MSP430內置的UART進行RS232電平轉換， PC機與MSP430即可用串口進行通信。當然，這裡RS232電平轉換後與通信設備（數傳電臺）相連，實現遠端通訊。利用晶片SC16IS752擴展UART介面，進行正確的配置，將MSP430的SPI通道擴展出兩個UART通道，其中一個連接GPS模組，另一個經RS232電平後預留。然後，由MSP430的驅動引腳連接驅動晶片ULN2003，使其驅動繼電器實現控制功能[8]。
4 軟體設計
4.1 設計思路
系統協定採用詢問方式，並將主節點程式編寫構造狀態機，通過對每一狀態的功能實現，使整個系統成為一個封閉自循環系統。結合協定要求設計系統由主節點按照主控端介面提供的輔節點工作狀態資訊逐次詢問輔節點的位址資訊，並且在資訊中包含對輔節點的繼電器工作狀態的資訊。輔節點收到主節點的資訊後，回復當前的位址資訊，並且根據資訊要求控制繼電器的工作狀態。使用者可以根據需要通過使用主控端介面控制輔節點及輔節點的繼電器的工作狀態，並且可以通過串口調試助手對GPS定位模組參數進行修改。
4.2 主節點功能和工作流程簡述
4.2.1如圖6主節點流程圖所示，主節點主要有三個功能，
功能一：通過GPS定位模組可以實現對自身位址位置的資訊採集，提取並保存有用資訊，同時可以通過串口調試助手實現對GPS定位模組參數的修改；
功能二：實現與輔節點間的資料通信，資料內容包括對輔節點繼電器工作狀態的控制和接收保存輔節點的位址資訊；
功能三：實現與主控端介面的資料通信，資料內容包括接收對輔節點和輔節點繼電器的工作狀態的控制命令，以及將四台輔節點和主節點的位址資訊發送給主控端介面。
4.2.2 工作流程：主節點的程式為狀態機，通過主節點流程圖可以很清晰的看出每一狀態的功能。首先接收提取主節點自身的GPS定位資訊，然後按照從0號到3號的順序逐次向輔節點發送資訊，在詢問前需要根據該輔節點工作狀態判斷是否需要發送資訊，如果輔節點為正常使用狀態，則發送資訊，如果輔節點為關閉狀態，則不發送資訊。
在詢問後等待接收該輔節點的資訊，分兩種情況：
第一，如果接收到資訊，判斷是否為所詢問輔節點回饋的資訊，如果是則保存然後繼續詢問下一個輔節點，如果不是則不保存，在該輔節點資訊位置根據協定賦值，然後繼續詢問下一個輔節點；
第二，如果在規定時間內沒有接收到輔節點的資訊，則在該輔節點資訊位置根據協定賦值，然後繼續詢問下一個輔節點。
在保存完3號輔節點資訊後，將四台輔節點和主節點的位址資訊按照協定格式統一發送給主控端介面。設置GPS的頻率為5Hz，每個迴圈在0.2秒內可以完成，在下一次GPS資料更新後系統又開始了新的一輪迴圈，這樣就可以實現系統自迴圈。
圖6主節點流程圖
4.3 輔節點功能和工作流程簡述
4.3.1如圖7輔節點流程圖所示，輔節點主要有兩個功能，
功能一：實現與主節點間的資料通信，資料內容包括接收輔節點繼電器工作狀態的控制資訊和給主節點發送自身的位址資訊；
功能二：控制繼電器的工作狀態。
4.3.2工作流程：輔節點接收資訊並且判斷該詢問資訊的目的地址是否為自己，如果是則將當前保存的位址資訊發送給主節點，同時根據接收到的繼電器工作狀態資訊控制繼電器的工作狀態。
圖7輔節點流程圖
5 顯控軟體設計
本系統要接收並處理GPS資訊並通過無線網路上傳至主控電腦，必然需要相應的顯控軟體。該顯控軟體可以被認為是圖形化使用者介面的一種。圖形化使用者介面（GUI-Graphics User Interface）是當前使用者介面的主流。
鑒於此，本系統結合一個5節點無線網路的定位與通信系統顯示與監控任務的需求，基於Windows作業系統和Visual C++6.0開發環境，設計並研製了一套顯控軟體，並通過顯示模組、控制模組和串口通訊模組實現了直觀醒目顯示各節點資訊、發送節點控制指令、向終端設備傳輸資訊等多種功能。本系統顯控軟體的總體設計方案為：在Windows環境下，利用物件導向的程式設計方法、基於Visual C++的單文檔多視圖、並利用RS232串口介面通信[9]。顯控軟體總體結構框圖如圖8所示。
圖8顯控軟體總體結構框圖
其中，通信模組採用串口通信，用於顯示即時定位資訊和姿態資訊；控制模組用於視圖變換，同時可向節點發送資訊並進行狀態控制；顯示模組可即時顯示主節點和輔節點的位置資訊，主節點詳細資訊以及GPS資訊清單。根據以上系統的顯控要求和設計方案，提出顯控軟體設計框圖如圖9所示。
圖9顯控軟體設計框圖
結 語
本系統進行了水庫湖試，主控電腦和主節點放置在躉船上，輔節點分別放在堤壩上和油船上進行測試，主節點與輔節點的測試距離為5000米，資料接收正確，輔節點的開機時間和關機時間可控，系統一切工作正常。該系統由於具有安裝方便、易於組網以及可同時獲得位置、節點狀態等資訊，將來可以被廣泛應用於無線資料獲取、工業控制、油田測控、水紋監測、交通控制管理、醫療醫護等重要領域。
參考文獻
[1] 曹紀磊. 無線感測器網路應用的研究與分析[J]. 數碼世界, 2017 (3) :82-83.
[2] I.f Akyildiz, Weilian Su, Yogesh Sankarasubramaniam, etal.Wireless Sensor Network: A Survey.Computer Networks[J]. 2002, 38(4) :393-422.
[3] P.Johnson.Remote Continuous Physiological Monitoring in the Home[J].Journal of Telemed Telecare，1996，2(2)：107-113.
[4] I.A.Essa.Ubiquitous Sensing for Smart and Aware Environments．IEEE Personal Communications[C].October 2000：47-49.
[5] G.J.Pott，W.J.Kaiser Wireless Integrated Network Sensors．Communications of the ACM[C].2000, 43(5)：551-558.
[6] XW-ADU3601OM手冊.PDF[J] .北京星網宇達科技開發有限公司:7-14.
[7] KYL-320H使用說明書.PDF[J] .深圳科易連通訊設備有限公司:2-3.
[8] 沈建華.MSP430系列16位元超低功耗單片機原理與實踐[M] .北京航空航太大學出版社,2008:125-241.
[9] 龔建偉，熊光明. Visual C++/Turbo C串口通信程式設計實踐[M]. 北京：電子工業出版社 2005：5-8 ,46,87,426.
《中國電子科學研究院學報》歡迎各位專家、學者賜稿！投稿連結 http://kjpl.cbpt.cnki.net
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以及控制輔節點的開、關機時間，從而使輔節點的連續工作時間可控。圖1系統工作原理框圖
主節點中定位與通信模組主要包括：GPS定位模組、艏向測量模組、無線通訊模組、嵌入式系統控制模組和主機通信模組，主節點模組原理框圖如圖2所示。輔節點中定位與通信模組主要包括：GPS定位模組、無線通訊模組、嵌入式系統控制模組和設備控制模組，輔節點模組原理框圖如圖3所示。
圖2主節點模組原理框圖
圖3輔節點模組原理框圖
3 硬體設計與實現
結合目前模組設計的低功耗和小型化的趨勢，嵌入式系統控制模組選用了TI公司的MSP430FG4618單片機作為智慧模組的主控晶片，通過GPS模組接收定位資訊，用無線通訊模組進行通訊，傳遞定位資訊和控制資訊。
定位定向模組採用星網宇達公司的XW-ADU3601[6]，其定向精度高、雜訊小；動態性好、穩定可靠；輸出每組資料均為獨立計算，無累計誤差；系統回應時間短，抗干擾性強。
無線通訊模組採用KYL-320H型號數傳電臺[7]，這種高速率無線數傳電臺，是一種遠距離無線資料傳輸產品，它體積小，金屬外殼，遮罩性能好，抗干擾性強，內部採用集成功放，TCXO 等高可靠性☆禁☆器件，內置看門狗，產品的穩定性及可靠性極高。
以單片機MSP430作為系統核心實現基於無線網路的定位與通信系統的硬體設計。利用該單片機豐富的週邊模組，結合部分外擴晶片，根據系統的需要，設計主節點和輔節點的硬體結構。主節點硬體結構框圖和輔節點硬體結構框圖分別如圖4和圖5所示。
圖4主節點硬體結構框圖
圖5輔節點硬體結構框圖
結合上圖簡述一下主節點和輔節點的硬體實現。首先，在電壓源穩定的基礎上實現MSP430最小系統的正常工作。利用晶片TUSB3410實現USB到UART的轉換，實現PC機與MSP430之間的U口通信。利用晶片MAX3232，對MSP430內置的UART進行RS232電平轉換， PC機與MSP430即可用串口進行通信。當然，這裡RS232電平轉換後與通信設備（數傳電臺）相連，實現遠端通訊。利用晶片SC16IS752擴展UART介面，進行正確的配置，將MSP430的SPI通道擴展出兩個UART通道，其中一個連接GPS模組，另一個經RS232電平後預留。然後，由MSP430的驅動引腳連接驅動晶片ULN2003，使其驅動繼電器實現控制功能[8]。
4 軟體設計
4.1 設計思路
系統協定採用詢問方式，並將主節點程式編寫構造狀態機，通過對每一狀態的功能實現，使整個系統成為一個封閉自循環系統。結合協定要求設計系統由主節點按照主控端介面提供的輔節點工作狀態資訊逐次詢問輔節點的位址資訊，並且在資訊中包含對輔節點的繼電器工作狀態的資訊。輔節點收到主節點的資訊後，回復當前的位址資訊，並且根據資訊要求控制繼電器的工作狀態。使用者可以根據需要通過使用主控端介面控制輔節點及輔節點的繼電器的工作狀態，並且可以通過串口調試助手對GPS定位模組參數進行修改。
4.2 主節點功能和工作流程簡述
4.2.1如圖6主節點流程圖所示，主節點主要有三個功能，
功能一：通過GPS定位模組可以實現對自身位址位置的資訊採集，提取並保存有用資訊，同時可以通過串口調試助手實現對GPS定位模組參數的修改；
功能二：實現與輔節點間的資料通信，資料內容包括對輔節點繼電器工作狀態的控制和接收保存輔節點的位址資訊；
功能三：實現與主控端介面的資料通信，資料內容包括接收對輔節點和輔節點繼電器的工作狀態的控制命令，以及將四台輔節點和主節點的位址資訊發送給主控端介面。
4.2.2 工作流程：主節點的程式為狀態機，通過主節點流程圖可以很清晰的看出每一狀態的功能。首先接收提取主節點自身的GPS定位資訊，然後按照從0號到3號的順序逐次向輔節點發送資訊，在詢問前需要根據該輔節點工作狀態判斷是否需要發送資訊，如果輔節點為正常使用狀態，則發送資訊，如果輔節點為關閉狀態，則不發送資訊。
在詢問後等待接收該輔節點的資訊，分兩種情況：
第一，如果接收到資訊，判斷是否為所詢問輔節點回饋的資訊，如果是則保存然後繼續詢問下一個輔節點，如果不是則不保存，在該輔節點資訊位置根據協定賦值，然後繼續詢問下一個輔節點；
第二，如果在規定時間內沒有接收到輔節點的資訊，則在該輔節點資訊位置根據協定賦值，然後繼續詢問下一個輔節點。
在保存完3號輔節點資訊後，將四台輔節點和主節點的位址資訊按照協定格式統一發送給主控端介面。設置GPS的頻率為5Hz，每個迴圈在0.2秒內可以完成，在下一次GPS資料更新後系統又開始了新的一輪迴圈，這樣就可以實現系統自迴圈。
圖6主節點流程圖
4.3 輔節點功能和工作流程簡述
4.3.1如圖7輔節點流程圖所示，輔節點主要有兩個功能，
功能一：實現與主節點間的資料通信，資料內容包括接收輔節點繼電器工作狀態的控制資訊和給主節點發送自身的位址資訊；
功能二：控制繼電器的工作狀態。
4.3.2工作流程：輔節點接收資訊並且判斷該詢問資訊的目的地址是否為自己，如果是則將當前保存的位址資訊發送給主節點，同時根據接收到的繼電器工作狀態資訊控制繼電器的工作狀態。
圖7輔節點流程圖
5 顯控軟體設計
本系統要接收並處理GPS資訊並通過無線網路上傳至主控電腦，必然需要相應的顯控軟體。該顯控軟體可以被認為是圖形化使用者介面的一種。圖形化使用者介面（GUI-Graphics User Interface）是當前使用者介面的主流。
鑒於此，本系統結合一個5節點無線網路的定位與通信系統顯示與監控任務的需求，基於Windows作業系統和Visual C++6.0開發環境，設計並研製了一套顯控軟體，並通過顯示模組、控制模組和串口通訊模組實現了直觀醒目顯示各節點資訊、發送節點控制指令、向終端設備傳輸資訊等多種功能。本系統顯控軟體的總體設計方案為：在Windows環境下，利用物件導向的程式設計方法、基於Visual C++的單文檔多視圖、並利用RS232串口介面通信[9]。顯控軟體總體結構框圖如圖8所示。
圖8顯控軟體總體結構框圖
其中，通信模組採用串口通信，用於顯示即時定位資訊和姿態資訊；控制模組用於視圖變換，同時可向節點發送資訊並進行狀態控制；顯示模組可即時顯示主節點和輔節點的位置資訊，主節點詳細資訊以及GPS資訊清單。根據以上系統的顯控要求和設計方案，提出顯控軟體設計框圖如圖9所示。
圖9顯控軟體設計框圖
結 語
本系統進行了水庫湖試，主控電腦和主節點放置在躉船上，輔節點分別放在堤壩上和油船上進行測試，主節點與輔節點的測試距離為5000米，資料接收正確，輔節點的開機時間和關機時間可控，系統一切工作正常。該系統由於具有安裝方便、易於組網以及可同時獲得位置、節點狀態等資訊，將來可以被廣泛應用於無線資料獲取、工業控制、油田測控、水紋監測、交通控制管理、醫療醫護等重要領域。
參考文獻
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[9] 龔建偉，熊光明. Visual C++/Turbo C串口通信程式設計實踐[M]. 北京：電子工業出版社 2005：5-8 ,46,87,426.
《中國電子科學研究院學報》歡迎各位專家、學者賜稿！投稿連結 http://kjpl.cbpt.cnki.net
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