CC2431無(wú)線定位系統(tǒng)的技術(shù)原理及設(shè)計(jì)

1 引言

無(wú)線定位技術(shù)是一種利用基于WiFi技術(shù)的RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）和傳感器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)定位、追蹤和監(jiān)測(cè)特定目標(biāo)的位置。AP將收集的Tag或MU信息發(fā)送到AeroScout公司的AeroScout Engine（下面簡(jiǎn)稱為AE），通過(guò)AE進(jìn)行位置計(jì)算，然后由AE將計(jì)算的位置數(shù)據(jù)傳給圖形軟件。在圖形軟件上用戶可以通過(guò)地圖、表格或者報(bào)告等多種形式直觀的獲取物資的位置信息。無(wú)線定位可以應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)、資產(chǎn)管理、物流等方面，協(xié)助用戶高效地完成物資管理和監(jiān)控。這里基于RSSI定位技術(shù)，詳細(xì)介紹CC2431無(wú)線定位系統(tǒng)的構(gòu)成、定位原理，并實(shí)現(xiàn)了基于CC2431無(wú)線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 CC2431簡(jiǎn)介

CC2431以強(qiáng)大的IAR集成開發(fā)環(huán)境為支持，結(jié)合Zig-Bee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，展示領(lǐng)先的ZigBee解決方案，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，同時(shí)也適用于ZigBee之外的2．4GHz頻率的其他設(shè)備。CC2431的定位引擎基于RSSI技術(shù)．根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度與已知參考節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確計(jì)算出有關(guān)節(jié)點(diǎn)位置。然后將位置信息發(fā)送至接收端。

3 基于CC2431定位原理及實(shí)現(xiàn)

3．1 RSSI定位技術(shù)

RSSI是指節(jié)點(diǎn)接收到的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度大小。在基于RSSI的定位中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗。利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離．并進(jìn)一步利用三角定位法確定待定位節(jié)點(diǎn)位置。該技術(shù)硬件要求較低、算法相對(duì)簡(jiǎn)單，且一些通信協(xié)議中已攜帶有RSSI的信息，基于RSSI定位方法具有廣泛的應(yīng)用前景。

3．2 基于CC2431的定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)確知自身的位置并可將其位置通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他參考節(jié)點(diǎn)。定位節(jié)點(diǎn)從參考節(jié)點(diǎn)處接收數(shù)據(jù)包信號(hào)，獲得參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值并將其送入定位引擎，然后讀出由定位引擎計(jì)算得到的自身位置。

由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送給定位節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)水平位置X和垂直位置Y。而RSSI值可由接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算獲得。圖1為具體定位系統(tǒng)原理框圖。

定位系統(tǒng)原理框圖中各部分的作用：

（1）主機(jī)采用一臺(tái)普通的PC，主機(jī)連接網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作調(diào)度，編寫的定位軟件可實(shí)時(shí)觀察各個(gè)定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況。

（2）網(wǎng)關(guān)該網(wǎng)關(guān)用于組建一個(gè)ZigBeeWSN網(wǎng)絡(luò)，并充當(dāng)協(xié)調(diào)器，把定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及外部環(huán)境參數(shù)傳送給主機(jī)。

（3）參考節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)路由器的角色。而且在定位系統(tǒng)中，它由用戶指定固定坐標(biāo)，并為定位節(jié)點(diǎn)提供該坐標(biāo)和RSSI平均值。參考節(jié)點(diǎn)是一種已知靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)（x，y）是固定的，并且不參與定位計(jì)算，可由CC2430或CC2431器件實(shí)現(xiàn)。

（4）定位節(jié)點(diǎn)其內(nèi)部具有定位引擎，能夠根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)提供的同定坐標(biāo)和RSSI平均值計(jì)算出自身的精確位置（坐標(biāo)），并把該坐標(biāo)協(xié)同定位節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

3．3 定位工作流程

定位節(jié)點(diǎn)（blindnode）是一類可移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，可在參考節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動(dòng)。定位節(jié)點(diǎn)接收區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值后，通過(guò)定位算法來(lái)計(jì)算其坐標(biāo)位置。定位節(jié)點(diǎn)南CC2431器件實(shí)現(xiàn)。采用該器件，可實(shí)現(xiàn)0．25m的定位分辨率和3m左右的定位精度，定位時(shí)間小于40μs。圖2是參考節(jié)點(diǎn)工作流程圖，圖3為定位節(jié)點(diǎn)工作流程圖。

4 ZigBee定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)在教學(xué)樓五樓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行：長(zhǎng)×寬＝8．13m×8．10m，使用6個(gè)參考節(jié)點(diǎn)和1個(gè)定位節(jié)點(diǎn)，各參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置如圖4所示。參考節(jié)點(diǎn)旁邊的數(shù)字為節(jié)點(diǎn)編號(hào)，6個(gè)參考節(jié)點(diǎn)（黑色的為參考節(jié)點(diǎn)）坐標(biāo)依次為（單位為m）：1（8．00，8．00），99（12．00，8．00），101（16．00，8．00），10（8．00，16．00），16（12．00，16．00），98（16．00，16．00）。

表l為本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)的數(shù)據(jù)，（x，y）為定位節(jié)點(diǎn)的實(shí)際所處位置的坐標(biāo)，（x1，y1）為上位機(jī)GUI軟件所測(cè)的定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。一共測(cè)得21組數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖5是根據(jù)相關(guān)通信協(xié)議編寫的上位機(jī)無(wú)線定位軟件ZWS_lum的界面，黑色的點(diǎn)代表參考節(jié)點(diǎn)，白色的點(diǎn)代表定位節(jié)點(diǎn)。當(dāng)定位節(jié)點(diǎn)靠近或遠(yuǎn)離參考節(jié)點(diǎn)時(shí)，在程序中可以清楚的看到相應(yīng)的定位效果。

該軟件不僅可以顯示實(shí)際的組網(wǎng)信息，而且還可以：對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)，顯示其X、Y坐標(biāo)，并可以修改在平面區(qū)域的X、Y坐標(biāo)，然后刷新到該拓?fù)鋱D上，這樣可以根據(jù)實(shí)際定位區(qū)域的需要來(lái)布置參考節(jié)點(diǎn)；對(duì)于定位節(jié)點(diǎn)，可以顯示其在平面區(qū)域的實(shí)時(shí)位置信息，表1中的坐標(biāo)（x1，y1）信息就是通過(guò)該軟件獲取得到的。

5 結(jié)語(yǔ)

CC2430／2431是一款針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee／IEEE802．15．4的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，其硬件定位引擎具有硬件設(shè)備要求低、定位精度高的特點(diǎn)，很好地滿足了市場(chǎng)需求。通過(guò)合理布設(shè)參考節(jié)點(diǎn)，該系統(tǒng)可應(yīng)用在樓內(nèi)、地下、隧道等場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位，因此，基于ZigBee的無(wú)線定位技術(shù)在未來(lái)將會(huì)有很好的發(fā)展及應(yīng)用。