一种基于GPS技术的新型无线传感网络节点设计

一种基于GPS技术的新型无线传感网络节点设计

袁浩

（广东工业大学信息工程学院）

摘要：针对无线传感网络节点定位的需要，文章给出了一种基于高性能先进精简指令集机器（ARM）STM32系列微控制器，GPS模块以及CC2420射频通讯模块构成的新型无线传感网络节点的设计方案，分析了采用STM32微控制器性能优势，以及GPS坐标数据提取方法；文章给出了系统组成设计；重点阐述了节点的硬件设计，以及接收GPS模块数据的处理程序设计。

关键词：ARM；无线传感网络；节点；定位；GPS

1引言

无线传感网络已大量用于各个领域，位置信息在无线传感网络监测过程中是相当重要的信息。例如，目标跟踪、入侵检测、环境监测、结构健康监测[1]等，而且在某些特定应用中需要对节点进行大范围精确定位。然而目前节点定位普遍采用无线信号强度，同时配合发射接收角度对位置进行估算。无法精确定位。为解决这个问题，从硬件设计角度提出一种新的温度监测无线传感网络节点设计方案。由于GPS技术的发展使得其芯片功耗和成本进一步降低，为GPS 技术利用于无线传感网络定位提供了有利条件。GPS 系统具有定位精度高，实时性好，抗干扰能力强等特点。本方案采用了新型的微处理器和GPS模块，比以往节点能耗更低，并能提供精确的节点位置信息。2无线传感网络节点构成

本设计方案中节点具有温度监测功能且能提供精确的自身位置信

息。节点由5个单元

组成，其系统框图如

图1所示。

2.1计算处理单元

计算处理单位微控制器作为核心，负责收集由传感器采集到的信息，并将所得数据进行处理后送往无线模块发射出去。作为接收端时，为了降低节点的能耗，要求微控制器采用事件驱动方式发送，即收到有效数据时工作，其他时间转入休眠，以降低功耗。目

前节点微控制器比较常用的是ATmage128L。通过表

1可知由于采用STM32F103微处理器，节点可以在

表1STM32F103 与ATmage128主要性能比较表

技术参数 STM32F103x ATmage128

工作频率（最高）72MHz 16MHz

SDAM 6k~20k 4kB

AD 2路12位7路10位

电压 2.0V~3.6V

2.7V~5.5V

效率 6579DMIPS/W

242MIPS/W 功耗 3.3V/2mA

3V/5mA 温度传感片上集成外接传感器

注：效率、功耗比较的工作频率为4MHz。

更低功耗下，获得更强的处理能力，STM32具有电

压监控功能。方案中采用的STM32系列32位闪存微

控制器基于突破性的ARM CortexTM–M3内核，这是

一款专为嵌入式应用而开发的，最高工作频率

72MHz，1.25DMips/MHz，具有非常高的速度功耗比。

单周期乘法和硬件除法。同时，片上资源相当丰富。

存储器：从256k至512k字节的闪存程序存储器，高

达k字节的SRAM，带4个片选的存储器控制器。

支持

CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储

器。时钟、复位和电源管理。2.0～3.6伏供电和I/O

管脚。上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器

(PVD)。具有睡眠、停机和待机模式。有VBAT为

RTC和后备寄存器供电。3个12位模数转换器，1μs

转换时间(多达21个输入通道) 转换范围：0至3.6V

三倍采样和保持功能。温度传感器为2通道12位D/A 图1无线传感网络节点系统框图

46转换器。

2.2通信单元

CC2420是Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4[3]规范的2.4GHz射频芯片。CC2420的主要特点：低电流消耗，接收19.7mA, 发射17.4mA；低电源电压要求；使用内部电压调节器时2.1 V ~3.6V,可编程输出功率；的128字节发射、接收数据缓冲器；该芯片具有极低的电流消耗和封装尺寸,可以满足无线传感网络中节点功耗小、体积小、成本低等特点。CC2420通过４线ＳＰＩ总线(ＳＩ、ＳＯ、ＳＣＬＫ、ＣＳ_)设置芯片的工作模式并实现读写缓存数据[4]。STM32F103通过SPI接口与CC2420进行数据传输，数据传输过程中，STM32F103工作于主设备模式，CC2420工作于从设备模式。整个节点通过CC2420与外

界通信[5]，

STM32与

CC2420的接

口电路如图2

所示。

2.3 GPS 单元

GPS系统基本工作原理：GPS系统主要包括有三个部分组成，即空间卫星部分、地面控制部分和用户接受部分。GPS系统的空间部分由24颗GPS工作卫星所组成，均匀分布在6个轨道面上。地面控制部分是整个系统的中枢，它由分布在全球的一个主控站、三个信息注入站和五个监测站组成。用户设备部分则是由GPS卫星接收机硬件GPS数据处理软件构成。GPS卫星接收模块能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，最后根据测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间和解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三

维位置[2]。本设计硬件

连接图见图3。设计中

直接利用GPS卫星接收模块获取定位信息。GPS模块与STM32F103采用异步串行方式通讯。硬件连接上只需连接两个信号线TXD、RXD即可进行数据传输。

2.4 GPS数据格式

本设计方案中的GPS模块遵循美国国家海洋局电子协会(National Marine Electronics Association)制定的NMEA-0183V20通信标准格式。该模块数据帧格式为：8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。波特率设为4800b/s。输出基于NMEA0183的ASCII码，包括GGA,PLL,GSA,GSV,RMC,VTG,MSS等，各语句作用见表2。

表2 NMEA各语句种类说明

NMEA 语句种类说明

GPGGA卫星定位信息（定位后）

GGPLL地理位置——经度及纬度

GPGSA GNSS DOP（偏差信息，卫星定位信号的优劣

GPGSV GNSS 本地能连接的卫星

GPRMC最基本的GNSS信息（定位功能）

GPVTG对地方向和对地速度

GPMSS BEACON信息

STM32F103

图2 STM32F103与CC2420硬件连接图

根据这些定位语句不仅可确定位置，速度，时间

等信息，还可指出当地的卫星接收情况。RMC是

Recommended minimum specific GNSS data的缩写。

是推荐使用的GPS信号格式。表3给出该数据格式

的具体说明。下面举例说明，假设有如下RMC语句。

$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.

13,309.62,120598, ,*10。则可以知道经度为

12158.3416°，纬度为3723.2475°。

2.5 GPS数据处理软件设计

系统软件总体流程为：首先初始化系统，设置好

微处理器的各功能引脚，启动温度传感，启动串口通

信，然后进入中断等待。由于默认状态下，GPS接收

模块每隔一秒发送一次上述6种语句信息，从表2中

可知，GPRMC语句是可以提供基本定位信息的语句，

所以接受程序的主要任务是从上述6种语句信息中识

别出GPRMC语句并从中提取定位信息。首先在这6

种语句接收放到字符数组str[]中，然后将GPRMC语

句提取放入substr[]中，下面是具体的代码实现：

char

substr[]

=

"GPRMC";

RXD

TXD

GPS模块

USART1_TX

USART1_RX

STM32F1

图3 串行接口电路

2009年第1期自动化与信息工程47

48

char substr2[69]; char *p; int n =0;

p =

strstr(str,substr); while(*(p+n)!=

'$') {

substr2[n]=*(p+n);

n++;

}

利用C 语言库函数，可以得到字符数组str[ ] 中”GPRMC”首字符所在的地址[6]，将这个地址赋给字符指针p ，然后通过字符指针p 向substr2[ ]字符数组中填入GPRMC 语句字符，直到遇到下一个字符”$”。这样得到的字符数组substr2[ ]里面就存放了GPRMC 语句信息。GPRMC 语句说明见表3。这样

表3 GPRMC 语句说明

名称 实例 描述 信息代号 $GPRMC RMC 规范起头

标准定位时间 161229.487时时分分秒秒.秒秒秒

定位状态 A A=信息有效，

V=信息无纬度 3723.2475 度度度分份.分分分分 北半球或南半球N 北半球(N),南半球（S ）经度 12158.3416度度度分份.分分分分 东半球或西半球W

东半球（E ）或西半球对地速度(节) 0.13 0.0至1851.8节

对地方向(度) 309.62 实际值 日期 120598 日日月月年年

磁极变量(度)

东半球（E ）或西半球和校验码 *10 信息终止

便可根据RMC 语句的格式确定GPS 定位信息。

3结语

本文提出了一种新型的具有温度监测功能的无线传感网络节点，该节点能够利用GPS 技术对自身位置精确定位，同时，能够监测环境温度。由于GPS 信号在室外能够更好的接收卫星信号，所以特别适合一些室外监测应用，森林火灾监测，环境温度监测等。由于采用STM32F103微控制器，内部集成了温度传感功能，所以作为温度监测的节点来说无需另外再接温度采集模块，有效的降低了成本，提高了可靠性。

参考文献

[1] Sukun Kim, Pakzad, S.Culler, D.; Demmel, J.; Fenves, G.;

Glaser, S.; Turon, M. Health Monitoring of Civil Infrastructures Using Wireless Sensor Networks, Proceedings of the Sixth International Symposium on Information Processing in Sensor Networks, 2007: 254-63

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[5] 郑贵林,贾艳利. 基于MPS430F149无线传感网络节点的设

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[6] 袁林,曹杰. 利用VC++实现GPS 全球定位系统定位数据的

提取[J]. 现代电子技术, 2004,27(24):105~107

A New Type Wireless Sensor Networks Node Design Base on GPS Technology

Yuan Hao

（Information Engineering College of Guangdong University of Technology)

Abstract ：According to the need for nodes’ locat ion, novel solution of wireless sensor networks (WSNs) node is described

based on advance RISC machines(ARM) core processor STM32F103,GPS module and RF wireless communication module. After the analysis of system operation principle, the hardware design of WSNs node and program processing the data from GPS module are expounded in detail.

Key words ：ARM; Wireless Sensor Networks (WSNs); Node; GPS; Location

作者简介:

袁浩，男，1981年生，硕士研究生，研究方向：嵌入式技术与无线传感网络的研究。