基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn),這個(gè)節(jié)點(diǎn)知道自己的位置并可以將其位置通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他節(jié)點(diǎn)。盲節(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,然后可以讀出由定位引擎計(jì)算得到的自身位置。由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送給盲節(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和豎直位置Y,而RSSI值可由接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算獲得。

　　一般來(lái)說(shuō)參考節(jié)點(diǎn)越多越好,要得到一個(gè)可靠的定位坐標(biāo)至少需要3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。如果參考節(jié)點(diǎn)太少,節(jié)點(diǎn)間影響會(huì)很大，得到的位置信息就不精確，誤差大。對(duì)于CC2431,要得到好的定位精度，需要8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)；如果得不到8個(gè)節(jié)點(diǎn),則應(yīng)該使用盡可能多的節(jié)點(diǎn)。CC2431的無(wú)線(xiàn)定位引擎可以處理最高達(dá)64 m的X、Y值。

　　為了收集計(jì)算得到的數(shù)據(jù)和與無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)交互，特定的控制系統(tǒng)是必需的。一個(gè)典型的控制單元是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，然而一個(gè)PC沒(méi)有一個(gè)嵌入的無(wú)線(xiàn)接收器，因此接收器需要從外部接入，還需要一個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)。ZigBee網(wǎng)關(guān)的作用就是將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接到控制終端，所有位置計(jì)算都由盲節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以控制終端不需要具備任何位置計(jì)算功能。它的唯一目的是讓用戶(hù)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，比如獲得盲節(jié)點(diǎn)的位置信息。

3.2 CC2431芯片簡(jiǎn)介

　　CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案,能滿(mǎn)足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。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)送給接收端。

　　CC2431由2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器組成,是帶有128 KB閃存的8051內(nèi)核ZigBee無(wú)線(xiàn)單片機(jī),并帶有定位跟蹤引擎。CC2431的設(shè)計(jì)結(jié)合了8 KB的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，它們是根據(jù)不同的閃存空間32 KB、64 KB和128 KB來(lái)優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。CC2431的尺寸只有7 mm×7 mm的48腳封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18 μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。針對(duì)協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件執(zhí)行時(shí)對(duì)MCU處理能力的要求，CC2431包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)行的時(shí)鐘頻率為32 MHz。CC2431還包含一個(gè)DMA控制器，它能夠被用于減輕8051微控制器內(nèi)核對(duì)數(shù)據(jù)搬移的操作，因此提高了芯片整體的性能。

　　系統(tǒng)基本硬件連接電路如圖3所示。連接50 Ω單極天線(xiàn)的部分由電感和電容構(gòu)成,其中的電感L1、L2還為芯片內(nèi)部的低噪聲放大器和功放提供直流偏置。也可采用一個(gè)無(wú)需阻抗匹配電路的折疊式偶極子PCB天線(xiàn)。圖3中，XTAL1為一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR)60 Ω的32 MHz晶振，R1為其建立精確的偏置電路，C1、C2是去耦電容，用于電源濾波，向電壓調(diào)節(jié)器提供穩(wěn)定的核心電壓。

　　圖3中，CC231還提供了良好的接地保護(hù)功能，除了48引腳外，其芯片底層提供了AGND接地引腳，可以有效地抑制噪聲，減少電磁干擾，保證電路系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

圖3 系統(tǒng)基本硬件連接電路

3.3 定位引擎操作流程

圖4 定位引擎操作流程

　　CC2431的硬件定位引擎與軟件定位方法相比的優(yōu)勢(shì)是： 速度快、精度高，不占用處理器時(shí)間。該定位引擎的主要特點(diǎn)如下：定位估計(jì)算法需3～8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)；定位估計(jì)以0.5 m為單位；計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置耗時(shí)少于40 μs；定位范圍為64 m；定位偏差低于3 m；定位引擎采用分布式計(jì)算方法，該方法使用已知參考節(jié)點(diǎn)的RSSI信息定位。在節(jié)點(diǎn)上分布式定位計(jì)算可避免集中計(jì)算方法帶來(lái)的大量網(wǎng)絡(luò)傳輸與通信延遲問(wèn)題。定位引擎操作流程[3]如圖4所示。

　　在定位引擎運(yùn)行之前,必須使能定位引擎寄存器LO2CENG的第4位LOCENG.EN。當(dāng)要停止定位引擎運(yùn)行時(shí),應(yīng)往LOCENG.EN 寫(xiě)入0關(guān)斷引擎的時(shí)鐘信號(hào),以降低CC2431的功耗。對(duì)定位引擎的操作,主要就是對(duì)與定位引擎有關(guān)的寄存器的操作。

　　定位引擎運(yùn)行時(shí)需要輸入3～8個(gè)參考坐標(biāo)。參考坐標(biāo)是以m為單位的,它表示各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的位置,其數(shù)值位于0～63.75,最高精度為0.25 m,以最低2位為小數(shù)部分,剩余6位為整數(shù)部分。參考坐標(biāo)存放于RF 寄存器REFCOORD中。在寫(xiě)入REFCOORD之前,寄存器LO2CENG的第1位LOCENG.REFLD 必須寫(xiě)入1,用于指示一組參考坐標(biāo)將要被寫(xiě)入。一旦坐標(biāo)寫(xiě)入過(guò)程開(kāi)始(LO2CENG.REFLD=1),8對(duì)坐標(biāo)必須一次性寫(xiě)入。當(dāng)定位引擎使用少于8個(gè)參考坐標(biāo)時(shí),要將未用的參考坐標(biāo)寫(xiě)入0.0。

4 定位區(qū)域的擴(kuò)展

　　定位引擎可以處理最高達(dá)64 m的X、Y值,更準(zhǔn)確地說(shuō)是63.75 m，但是這個(gè)區(qū)域?qū)?shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)顯得太小,因此擴(kuò)展區(qū)域非常必要?？梢酝ㄟ^(guò)軟件預(yù)處理算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)用2個(gè)字節(jié)代表X、Y。因?yàn)榫葹?.25 m， 因此最大范圍為16 384 m(214=16 384)。圖5是用預(yù)處理算法進(jìn)行區(qū)域擴(kuò)展的示意圖。

圖5 擴(kuò)展定位區(qū)域示意圖

　　該圖所示的區(qū)域中,在X、Y方向上每隔30 m放置一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，虛環(huán)中間的白色節(jié)點(diǎn)為盲節(jié)點(diǎn),其他節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)。第1步，確定具有最高RSSI值的一個(gè)節(jié)點(diǎn)并計(jì)算一個(gè)補(bǔ)償值，使之“移動(dòng)”到64 m×64 m范圍的中心。由于已知來(lái)自此節(jié)點(diǎn)的RSSI值,所以到此節(jié)點(diǎn)的距離很容易得到；第2步，確定除“最強(qiáng)”節(jié)點(diǎn)之外的其他使用節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)用第1步中的補(bǔ)償值進(jìn)行修正；第3步，所有獲得值送入定位引擎，讀出由其計(jì)算得到的位置；最后一步，將補(bǔ)償值添加到計(jì)算得到的位置中，完成這些計(jì)算之后，盲節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)格中的位置就確定了。

結(jié)語(yǔ)

　　CC2431作為一款集成有定位引擎的ZigBee射頻收發(fā)器，結(jié)合其他ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)3～5 m的定位精度。ZigBee作為一種高性?xún)r(jià)比、低成本、低功耗、低復(fù)雜度的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，以其來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)線(xiàn)定位具有良好的應(yīng)用前景。隨著人們生活水準(zhǔn)的提高，人們對(duì)定位服務(wù)有著越來(lái)越高的需求，雖然目前已經(jīng)有多種定位技術(shù)，但是在室內(nèi)定位方面存在一定缺陷和不足。如果將這些定位技術(shù)和ZigBee定位技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更加完美和精準(zhǔn)的定位服務(wù)。