无线传感器网络在鱼雷罐车的应用研究
时间：2020-12-20
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1 RFID 与无线传感器网络的技术及融合
1.1 RFID 技术简介
RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据[1],识别工作无须人工干预,作为条形码的无线版本,RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如[6]等优点。而且,RFID技术还支持识别高速运动物体及同时识别多个射频标签[2]。具体来说,RFID标签其实是一颗IC芯片安装上微型天线的组合,在IC芯片中写入的数据,读写器通过无线电波接收信号,然后再通过读写器的处理器进行解码,这样就实现了射频识别。
1.2 无线传感器网络技术简介
无线传感器网络[3-4](Wireless Sensor Network, WSN)是一种综合了传感器、嵌入式计算机、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域的综合技术,由部署在监测区域内大量的廉价微型传感节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。
在无线传感器网络中,节点易于部署,不需要事先确定或精心设计节点的位置,甚至可以任意放置,部署维护成本较低,灵活性很高。由于节点廉价,为了获得较高的观察精度,可在网络作用范围内布置大量的节点。有时为了防止部分节点失效而影响整个系统的功能,可布置大量的冗余节点。因此,无线传感器网络一般具有较好的健壮性。
1.3 RFID 与无线传感器网络的技术融合
由于传感器网络一般不关心节点的位置,对节点一般不采用全局标识,RFID 技术对节点的标示有着得天独厚的优势,将两者结合共同组成网络可以相互弥补对方的缺陷。另一方面,RFID标签的有效作用距离较近,将有效监测半径为 100m的Zigbee的WSN和RFID结合起来形成WSID网络,在跟踪、定位方面有诸多优势。这样,既可以将网络的主要精力集中到数据上,当需要考虑到某个具体节点信息的时候,又可以利用RFID的标识功能轻松地找到节点的相关信息。
2 RSSI定位技术及其算法
2.1 RSSI技术
RSSI(Received Signal Strength Indicator)是一种基于无线信号处理的测距定位技术[1],它通过信号在传播中的衰减来估计节点间的距离。RSSI的定位方法的基本原理是已知发射节点的发射信号强度,根据接收节点收到的信号强度计算出信号的传播损耗,并利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离,从而通过计算得到节点的位置。
2.2 三 [6]是TI公司生产的一种超低功耗的混合信号控制器,可使用电池长期运行,并可以在低于6微秒的时间内从低功耗模式迅速唤醒。结合TI地高性能模拟技术,MSP430系列单片机集成了较丰富的功能模块:WDT,模拟比较器,串口0/1,硬件乘法器,液晶驱动器,ADC,12位DAC,DMA,P1-P6端口,基本定时器等。这些使得MSP430单片机非常适合在无线传感器网络中应用。
3.2 射频收发器CC2430
CC2430芯片[7]是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee协议的解决方案,它延用了CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。CC2430拥有1个8位8051MCU、8KB的RAM、最大可达128KB的Flash,还包含有AD转换器、定时器、AES128协处理器、看门狗、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路及21个可编程I/O引脚。
CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27mA,在接收和发射模式下的电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性使得它特别适合在本应用场合下运行。
3.3 移动节点设计
安装在鱼雷罐车上的节点简称为移动节点。移动节点由无线传输模块、微控制模块、RFID模块及电源模块组成,如图2。
无线传输模块完成射频信号(简称RF)的发送和接收;微控制模块主要操作无线收发芯片,对数据进行处理,对节点电源进行管理,合理地设置待机状态,以节省能量消耗,延长节点使用寿命;RFID模块主要是接受参考节点中阅读器的读取,为罐号提供标识。
图1中,微控制器模块还通过检测无线传输模块接受信号的大小、通过和参考节点的联合计算获取鱼雷罐车的当前位置,将通过无线传感模块的通讯实现计算数据的发送和接受。
3.4 参考节点设计
参考节点安装在地面固定位置,基本的参考节点由无线传输模块、微控制模块、阅读器和电源组成,如图3。
图3中,由于参考节点设置在地面,不像移动节点需要控制电源的使用并且位置固定,可以充当定位时的参考(信标)节点,按照信号传输及距离测试要求,需要布置3-4个这种参考节点(含备用节点),其中一个为主参考节点,其他为辅助参考节点,辅助参考节点不需要安装阅读器模块;主参考节点的微控制器通过阅读器读取移动节点的射频标识(罐号),唤醒辅助参考节点和移动节点的微控制器工作,进入到距离测试、计算的定位状态;鱼雷罐车到达停车位置的距离通过大屏幕LED显示提示机车司机,通过联合计算、测取的距离及阅读器获取的鱼雷罐车罐号将由微控制器通过有线通讯转发到炼铁厂的生产过程控制系统。
1.1 RFID 技术简介
RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据[1],识别工作无须人工干预,作为条形码的无线版本,RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如[6]等优点。而且,RFID技术还支持识别高速运动物体及同时识别多个射频标签[2]。具体来说,RFID标签其实是一颗IC芯片安装上微型天线的组合,在IC芯片中写入的数据,读写器通过无线电波接收信号,然后再通过读写器的处理器进行解码,这样就实现了射频识别。
1.2 无线传感器网络技术简介
无线传感器网络[3-4](Wireless Sensor Network, WSN)是一种综合了传感器、嵌入式计算机、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域的综合技术,由部署在监测区域内大量的廉价微型传感节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。
在无线传感器网络中,节点易于部署,不需要事先确定或精心设计节点的位置,甚至可以任意放置,部署维护成本较低,灵活性很高。由于节点廉价,为了获得较高的观察精度,可在网络作用范围内布置大量的节点。有时为了防止部分节点失效而影响整个系统的功能,可布置大量的冗余节点。因此,无线传感器网络一般具有较好的健壮性。
1.3 RFID 与无线传感器网络的技术融合
由于传感器网络一般不关心节点的位置,对节点一般不采用全局标识,RFID 技术对节点的标示有着得天独厚的优势,将两者结合共同组成网络可以相互弥补对方的缺陷。另一方面,RFID标签的有效作用距离较近,将有效监测半径为 100m的Zigbee的WSN和RFID结合起来形成WSID网络,在跟踪、定位方面有诸多优势。这样,既可以将网络的主要精力集中到数据上,当需要考虑到某个具体节点信息的时候,又可以利用RFID的标识功能轻松地找到节点的相关信息。
2 RSSI定位技术及其算法
2.1 RSSI技术
RSSI(Received Signal Strength Indicator)是一种基于无线信号处理的测距定位技术[1],它通过信号在传播中的衰减来估计节点间的距离。RSSI的定位方法的基本原理是已知发射节点的发射信号强度,根据接收节点收到的信号强度计算出信号的传播损耗,并利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离,从而通过计算得到节点的位置。
2.2 三 [6]是TI公司生产的一种超低功耗的混合信号控制器,可使用电池长期运行,并可以在低于6微秒的时间内从低功耗模式迅速唤醒。结合TI地高性能模拟技术,MSP430系列单片机集成了较丰富的功能模块:WDT,模拟比较器,串口0/1,硬件乘法器,液晶驱动器,ADC,12位DAC,DMA,P1-P6端口,基本定时器等。这些使得MSP430单片机非常适合在无线传感器网络中应用。
3.2 射频收发器CC2430
CC2430芯片[7]是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee协议的解决方案,它延用了CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。CC2430拥有1个8位8051MCU、8KB的RAM、最大可达128KB的Flash,还包含有AD转换器、定时器、AES128协处理器、看门狗、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路及21个可编程I/O引脚。
CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27mA,在接收和发射模式下的电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性使得它特别适合在本应用场合下运行。
3.3 移动节点设计
安装在鱼雷罐车上的节点简称为移动节点。移动节点由无线传输模块、微控制模块、RFID模块及电源模块组成,如图2。
无线传输模块完成射频信号(简称RF)的发送和接收;微控制模块主要操作无线收发芯片,对数据进行处理,对节点电源进行管理,合理地设置待机状态,以节省能量消耗,延长节点使用寿命;RFID模块主要是接受参考节点中阅读器的读取,为罐号提供标识。
图1中,微控制器模块还通过检测无线传输模块接受信号的大小、通过和参考节点的联合计算获取鱼雷罐车的当前位置,将通过无线传感模块的通讯实现计算数据的发送和接受。
3.4 参考节点设计
参考节点安装在地面固定位置,基本的参考节点由无线传输模块、微控制模块、阅读器和电源组成,如图3。
图3中,由于参考节点设置在地面,不像移动节点需要控制电源的使用并且位置固定,可以充当定位时的参考(信标)节点,按照信号传输及距离测试要求,需要布置3-4个这种参考节点(含备用节点),其中一个为主参考节点,其他为辅助参考节点,辅助参考节点不需要安装阅读器模块;主参考节点的微控制器通过阅读器读取移动节点的射频标识(罐号),唤醒辅助参考节点和移动节点的微控制器工作,进入到距离测试、计算的定位状态;鱼雷罐车到达停车位置的距离通过大屏幕LED显示提示机车司机,通过联合计算、测取的距离及阅读器获取的鱼雷罐车罐号将由微控制器通过有线通讯转发到炼铁厂的生产过程控制系统。