无线传感网络的改进嵌入式节点定位系统设计
覃琪 谭松鹤
关键词： 嵌入式网络控制系统; 无线传感网络; 锚节点距离估计; 节点定位系统; 安全定位; 系统设计
中图分类号： TN926?34; U665 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）03?0035?04
Abstract： The cost of node location in the sensor is relatively high， and the system is complex， which may cause the error or even failure of the node self positioning function. The software of the wireless sensor network is improved to better design the wireless sensor network system and realize the high?precision positioning system design. In combination with the innovation and optimization of the embedded node positioning system， an embedded node location system of wireless sensor network is set up to improve the running reliability， accuracy and flexibility of the positioning system， and make the system more suitable for different application detection and location environments. The simulation experiment was carried out to verify the effectiveness of the system. The experimental results show that the method can effectively improve the positioning accuracy and reliability of wireless sensor network technology， and effectively make up for the shortcomings existing in the traditional positioning system， and has higher reference and practical values.
Keywords： embedded network control system; wireless sensor network; anchor node distance estimation; node positioning system; security positioning; system design0 ?引 ?言
作為一种新的定位搜索平台，无线传感器已广泛应用在交通管理和灾害检测等日常公共生活领域，从而形成能够对全球多目标信息进行多种检测、高效采集和准确传输的监控定额覆盖网络[1]。由于当前无线传感网络技术中传感器节点定位方法相对复杂，易出现定位信息传输误差等问题[2]。为了更好地提高无线传感网络定位系统功能运作的准确性和高效性。结合嵌入式节点定位系统对监测、监控目标信息进行采集和传输。在对嵌入式节点定位理论进行深入研究和分析的基础上，对无线传感网络定位系统进行创新和优化，为验证系统的可行性进行仿真实验，实验数据证实，该方法可有效提高系统的运作性能，具有较高的应用价值[3]。1 ?嵌入式节点移动定位方法探究
对无线传感网络节点的数量和角度信息进行获取后，利用网格记数法对网络节点通信距离约束定位关系进行计算[4]。对无线传感器节点分布距离进行计算和设计后，对系统中的锚节点的跳数值及位置信息进行获取，通过获取信息对其他锚节点的实际距离和平均每跳距离进行计算，并将此估计值作为标准校正数据传输至无线传感网络中[5]。在无线传感网络通信定位系统中的通信节点一旦接收到上述校正信息，就可以精确快速地对系统内部的锚节点距离进行估计。为了进一步扩大定位系统的数据检测效果，设置了部分虚拟节点以便进行优化，从而有效解决节点分布稀疏或不规则的传感网络系统中定位精确度差、效率低等问题，从而有效提高动态无线自组传感网络系统的适用性[6]。动态无线自组传感网络系统节点分布优化过程如图1所示。
在网络系统中，当锚节点密度较高时，网络定位系统对自身相对于锚节点的距离或角度测量会比较复杂[7]。因此需要对传感器节点功能进行优化，嵌入固定的未知节点，使之向周围临近的节点发送定位信息请求，并快速精准地获取到周围每个未知节点的邻居回复消息，从而实现定位[8]。传感器嵌入节点功能结构如图2所示。
根据节点嵌入方法及结构功能进一步对嵌入节点进行设计。为了减少设计过程中的额外花销，提出使用嵌入式移动虚拟节点对自身精确位置进行广播和传输，从而对系统定位进行辅助的设计方法[9]。通过对大量移动虚拟节点运动过程进行详细的调查和研究，发现当网络定位系统中的虚拟节点处于移动状态时，可以在固定的时间间隔内对自身的精确坐标信息进行传播，从而提高系统定位的精准度。虚拟节点运动过程简化示意图如图3所示。
利用移动虚拟节点进行系统辅助定位的方法可以全面掌握系统定位信息，提高系统的定位精度和速度[10]。移动虚拟节点具有受能源限制相对较小，且可有效替代系统中冗余节点设置的优势，从而降低定位系统的设计花销。为了更好地对嵌入式节点移动过程进行记录，设置了虚拟节点移动网格，从而达到更加精确地对移动虚拟节点位移及距离进行检测和获取的设计目标[11]。嵌入式节點移动记录方法如图4所示。
利用上述网格方法可以更好地对虚拟节点的移动情况、距离和节点信息获取的覆盖面积进行分析和检测，有效获取系统节点定位信息，从而对传感网络节点信息传输和定位功能进行优化[12]。2 ?嵌入式无线传感网络节点控制系统设计
根据嵌入式移动节点的运动过程及传输计算对嵌入式节点网络定位控制系统进行设计[13]。由于在设计过程中，对定位信息的获取需求不同，会产生不同的虚拟节点信息传输设计要求，为了快速、精准地获取节点定位信息，设计了无线传感网络节点信息排查检测系统，并给出冗余定位信息进行检测和排查的设计流程，以便对目标信息进行检索，快速获取所需数据。信息排查检测系统流程设计如图5所示。
为了避免在对网络节点定位信息进行排查的过程中出现由于嵌入式处理器对目标信息储存内容相对较多造成的延时等问题，要根据具体需求对目标定位信息进行限制，从而精准获取定位信息。另外，由于嵌入式移动虚拟节点对信息的处理能力有限，应尽量避免对运算量相对较为繁重的信息进行排查。由于无线传感网络定位系统具有开放性和普遍适用性，为了能够实现系统广泛应用于多种监控定位场合的设计目标，要对节点定位信息安全功能进行优化，以便实现系统对细节信息的获取和排查工作。基于上述信息，设计了嵌入式节点信息定位安全优化方法，以便保证系统的正常运作。
嵌入式节点的安全定位方法如图6所示，在安全校验范围内，对固定良性节点域嵌入式移动虚拟节点以及部分难以正常运行的通信节点的定位过程进行信息传输链接和直接定位，利用移动虚拟节点对其他节点信息进行接收和检验，从而避免被破坏节点中信息丢失的问题，达到信息安全定位的设计目标。在保障系统安全准确运行的基础上，综合前文内容对无线传感网络嵌入式节点定位系统进行优化设计，设计流程如图7所示。
3 ?实验结果与分析
为了对改进后的无线传感网络嵌入式节点定位系统的工作效率进行评估，需要进行仿真实验。首先对系统嵌入式节点的检测信息数据进行记录，节点数据如表1所示。
在上述同等条件下分别对被破坏的节点移动次数、嵌入式节点移动次数及良性节点移动次数进行检测，以便通过移动次数验证定位节点的运作情况。假设所有检测的节点均被随机分布于安全检测目标区域内，且节点通信半径相同，对网络节点移动次数进行对比检测的结果如图8所示。
通过图8不难发现，在网络通信节点中，嵌入式移动节点运作相对更为灵活，可快速进行移动，以便获取更大范围的定位数据，弥补良性节点移动较慢造成信息获取量低和被破坏节点中信息易丢失等问题。
由于在传统传感网络定位系统中，所有节点相对较多，且测距定位计算相对繁琐，易造成计算误差，且误差值会在其他环节上进行累积，从而导致系统定位精准度大幅度降低。基于上述背景，在同等条件下对比传统方法和文中设计方法对定位信息精准度进行检测。检测结果如图9所示。
综合上述仿真检测结果可知，改进后的无线传感网络嵌入式节点定位系统可更精准地获取和传输信息，精准度远胜于传统方法，且系统运作过程相对稳定，检测过程中波动相对更小，由此证实该系统具有更高的安全性和优越性，符合系统优化设计的目的，适用于对当前网络定位系统的应用。4 ?结 ?语
为了更好地完成对无线传感网络定位技术的设计，利用嵌入式节点灵活、精准的优势对移动网络定位系统进行创新和优化，设计了无线传感网络嵌入节点定位系统，从而达到快速高效、精准定位。为了验证该系统的实用性进行仿真实验，实验结果证实，该方法可有效解决传统方法中定位信息存在误差等问题，有效弥补了传统方法中的不足，达到了精准定位的设计目标。
参考文献
[1] 徐胜，王海宽，尹志辉.工业无线传感器网络嵌入式监听系统的研究与实现[J].测控技术，2017，36（3）：90?93.
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[2] 姜有光，杜亚江，齐金平，等.嵌入式无线传感网络网关设计与远程维护[J].测控技术，2017，36（3）：94?97.
JIANG Youguang， DU Yajiang， QI Jinping， et al. Embedded wireless sensor network gateway design and remote maintenance [J]. Measurement & control technology， 2017， 36（3）： 94?97.
[3] 陈世文，刘睿强，王一男.改进的无线传感网络节点定位系统的设计与研究[J].现代电子技术，2016，39（24）：54?57.
CHEN Shiwen， LIU Ruiqiang， WANG Yinan. Design and research of improved node positioning system for wireless sensor network [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（24）： 54?57.
[4] 王震，郭建.改进TDOA算法的UWB室内定位系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2017，17（5）：34?37.
WANG Zhen， GUO Jian. UWB indoor positioning system based on improved TDOA algorithm [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2017， 17（5）： 34?37.
[5] 邓昀，李朝庆，程小辉.基于物联网的智能家居远程无线监控系统设计[J].计算机应用，2017，37（1）：159?165.
DENG ?Yun， ?LI Chaoqing， CHENG ?Xiaohui. Design of remote wireless monitoring system for smart home based on Internet of Things [J]. Journal of computer applications， 2017， 37（1）： 159?165.
[6] 徐瑞华，王凯敏.面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统设计[J].工矿自动化，2017，43（5）：68?71.
XU Ruihua， WANG Kaimin. Design of ZigBee wireless sensor network system for mine gas monitoring [J]. Industry and mine automation， 2017， 43（5）： 68?71.
[7] 王勇，杨杰.基于无线传感网定位的网关功能模块的实现[J].青岛大学学报（自然科学版），2016，29（1）：80?84.
WANG Yong， YANG Jie. Realization of gateway function module based on wireless sensor network localization [J]. Journal of Qingdao University （natural science edition）， 2016， 29（1）： 80?84.
[8] 董玮，陈共龙，曹晨红，等.面向软件定义架构的无线传感器网络[J].计算机学报，2017，40（8）：1779?1797.
DONG Wei， CHEN Gonglong， CAO Chenhong， et al. Towards a software?defined architecture for wireless sensor networks [J]. Chinese journal of computers， 2017， 40（8）： 1779?1797.
[9] 王松涛.基于无线传感器网络的环境监测系统设计与应用[J].资源节约与环保，2016（12）：87?88.
WANG Songtao. Design and implementation of smart home control system based on WSN node technology [J]. Resources eco?nomization & environment protection， 2016（12）： 87?88.
[10] 王莘.无线传感器网络节点节能技术分析[J].电子设计工程，2017，25（18）：126?130.
WANG Shen. Wireless sensor network node energy saving technical analysis [J]. Electronic design engineering， 2017， 25（18）： 126?130.
[11] 王能河，周崎，王飞，等.基于NRF24L01的嵌入式Linux大型场所盆栽自动浇灌系统[J].电子测量技术，2017，40（3）：177?181.
WANG Nenghe， ZHOU Qi， WANG Fei， et al. Automatic watering system for potted plant based on Linux and NRF24L01 [J]. Electronic measurement technology， 2017， 40（3）： 177?181.
[12] 胡国强，李茵，蔚继承.基于6LoWPAN和CoAP的农业环境信息传感系统的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（23）：152?156.
HU Guoqiang， LI Yin， WEI Jicheng. Design and implementation of agri?environmental information sensing system based on 6LoWPAN and CoAP [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（23）： 152?156.
[13] 王绪海，姚晓峰.基于嵌入式系统的物联网网关的设计[J].信息通信，2016，42（1）：64?66.
WANG Xuhai， YAO Xiaofeng. Design of IOT gateway based on embedded system [J]. Information communication， 2016， 42（1）： 64?66.
关键词： 嵌入式网络控制系统; 无线传感网络; 锚节点距离估计; 节点定位系统; 安全定位; 系统设计
中图分类号： TN926?34; U665 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）03?0035?04
Abstract： The cost of node location in the sensor is relatively high， and the system is complex， which may cause the error or even failure of the node self positioning function. The software of the wireless sensor network is improved to better design the wireless sensor network system and realize the high?precision positioning system design. In combination with the innovation and optimization of the embedded node positioning system， an embedded node location system of wireless sensor network is set up to improve the running reliability， accuracy and flexibility of the positioning system， and make the system more suitable for different application detection and location environments. The simulation experiment was carried out to verify the effectiveness of the system. The experimental results show that the method can effectively improve the positioning accuracy and reliability of wireless sensor network technology， and effectively make up for the shortcomings existing in the traditional positioning system， and has higher reference and practical values.
Keywords： embedded network control system; wireless sensor network; anchor node distance estimation; node positioning system; security positioning; system design0 ?引 ?言
作為一种新的定位搜索平台，无线传感器已广泛应用在交通管理和灾害检测等日常公共生活领域，从而形成能够对全球多目标信息进行多种检测、高效采集和准确传输的监控定额覆盖网络[1]。由于当前无线传感网络技术中传感器节点定位方法相对复杂，易出现定位信息传输误差等问题[2]。为了更好地提高无线传感网络定位系统功能运作的准确性和高效性。结合嵌入式节点定位系统对监测、监控目标信息进行采集和传输。在对嵌入式节点定位理论进行深入研究和分析的基础上，对无线传感网络定位系统进行创新和优化，为验证系统的可行性进行仿真实验，实验数据证实，该方法可有效提高系统的运作性能，具有较高的应用价值[3]。1 ?嵌入式节点移动定位方法探究
对无线传感网络节点的数量和角度信息进行获取后，利用网格记数法对网络节点通信距离约束定位关系进行计算[4]。对无线传感器节点分布距离进行计算和设计后，对系统中的锚节点的跳数值及位置信息进行获取，通过获取信息对其他锚节点的实际距离和平均每跳距离进行计算，并将此估计值作为标准校正数据传输至无线传感网络中[5]。在无线传感网络通信定位系统中的通信节点一旦接收到上述校正信息，就可以精确快速地对系统内部的锚节点距离进行估计。为了进一步扩大定位系统的数据检测效果，设置了部分虚拟节点以便进行优化，从而有效解决节点分布稀疏或不规则的传感网络系统中定位精确度差、效率低等问题，从而有效提高动态无线自组传感网络系统的适用性[6]。动态无线自组传感网络系统节点分布优化过程如图1所示。
在网络系统中，当锚节点密度较高时，网络定位系统对自身相对于锚节点的距离或角度测量会比较复杂[7]。因此需要对传感器节点功能进行优化，嵌入固定的未知节点，使之向周围临近的节点发送定位信息请求，并快速精准地获取到周围每个未知节点的邻居回复消息，从而实现定位[8]。传感器嵌入节点功能结构如图2所示。根据节点嵌入方法及结构功能进一步对嵌入节点进行设计。为了减少设计过程中的额外花销，提出使用嵌入式移动虚拟节点对自身精确位置进行广播和传输，从而对系统定位进行辅助的设计方法[9]。通过对大量移动虚拟节点运动过程进行详细的调查和研究，发现当网络定位系统中的虚拟节点处于移动状态时，可以在固定的时间间隔内对自身的精确坐标信息进行传播，从而提高系统定位的精准度。虚拟节点运动过程简化示意图如图3所示。利用移动虚拟节点进行系统辅助定位的方法可以全面掌握系统定位信息，提高系统的定位精度和速度[10]。移动虚拟节点具有受能源限制相对较小，且可有效替代系统中冗余节点设置的优势，从而降低定位系统的设计花销。为了更好地对嵌入式节点移动过程进行记录，设置了虚拟节点移动网格，从而达到更加精确地对移动虚拟节点位移及距离进行检测和获取的设计目标[11]。嵌入式节點移动记录方法如图4所示。利用上述网格方法可以更好地对虚拟节点的移动情况、距离和节点信息获取的覆盖面积进行分析和检测，有效获取系统节点定位信息，从而对传感网络节点信息传输和定位功能进行优化[12]。2 ?嵌入式无线传感网络节点控制系统设计根据嵌入式移动节点的运动过程及传输计算对嵌入式节点网络定位控制系统进行设计[13]。由于在设计过程中，对定位信息的获取需求不同，会产生不同的虚拟节点信息传输设计要求，为了快速、精准地获取节点定位信息，设计了无线传感网络节点信息排查检测系统，并给出冗余定位信息进行检测和排查的设计流程，以便对目标信息进行检索，快速获取所需数据。信息排查检测系统流程设计如图5所示。
为了避免在对网络节点定位信息进行排查的过程中出现由于嵌入式处理器对目标信息储存内容相对较多造成的延时等问题，要根据具体需求对目标定位信息进行限制，从而精准获取定位信息。另外，由于嵌入式移动虚拟节点对信息的处理能力有限，应尽量避免对运算量相对较为繁重的信息进行排查。由于无线传感网络定位系统具有开放性和普遍适用性，为了能够实现系统广泛应用于多种监控定位场合的设计目标，要对节点定位信息安全功能进行优化，以便实现系统对细节信息的获取和排查工作。基于上述信息，设计了嵌入式节点信息定位安全优化方法，以便保证系统的正常运作。嵌入式节点的安全定位方法如图6所示，在安全校验范围内，对固定良性节点域嵌入式移动虚拟节点以及部分难以正常运行的通信节点的定位过程进行信息传输链接和直接定位，利用移动虚拟节点对其他节点信息进行接收和检验，从而避免被破坏节点中信息丢失的问题，达到信息安全定位的设计目标。在保障系统安全准确运行的基础上，综合前文内容对无线传感网络嵌入式节点定位系统进行优化设计，设计流程如图7所示。
3 ?实验结果与分析
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综合上述仿真检测结果可知，改进后的无线传感网络嵌入式节点定位系统可更精准地获取和传输信息，精准度远胜于传统方法，且系统运作过程相对稳定，检测过程中波动相对更小，由此证实该系统具有更高的安全性和优越性，符合系统优化设计的目的，适用于对当前网络定位系统的应用。4 ?结 ?语为了更好地完成对无线传感网络定位技术的设计，利用嵌入式节点灵活、精准的优势对移动网络定位系统进行创新和优化，设计了无线传感网络嵌入节点定位系统，从而达到快速高效、精准定位。为了验证该系统的实用性进行仿真实验，实验结果证实，该方法可有效解决传统方法中定位信息存在误差等问题，有效弥补了传统方法中的不足，达到了精准定位的设计目标。
参考文献
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