無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位節(jié)點設(shè)計

作者：時間：2013-10-09 來源：網(wǎng)絡(luò)

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2．2 射頻前端電路設(shè)計
CC2530是無線SoC設(shè)計方案，只需采用較少的外圍電路即可實現(xiàn)基本的信號收發(fā)功能。然而，要達(dá)到理想的性能，需要設(shè)計和優(yōu)選射頻電路參數(shù)，才能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的無線信號傳輸、最大的通信距離和良好的電磁兼容性能。
CC2530的射頻輸出為差分信號，需要經(jīng)過差分一單端轉(zhuǎn)換電路，才能與常用的鞭狀或貼片天線連接；另外CC2530射頻輸出端的差分阻抗為(69+j29)Ω，為實現(xiàn)信號的高效傳輸，需要進(jìn)行阻抗變換，使射頻收發(fā)系統(tǒng)的天線接口端的阻抗等于標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω。以上兩點功能是射頻前端電路設(shè)計的主要任務(wù)與設(shè)計目標(biāo)。
差分一單端轉(zhuǎn)換電路基于TI公司提供的參考設(shè)計進(jìn)行了參數(shù)仿真和優(yōu)化，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)根據(jù)定位系統(tǒng)需求及節(jié)點硬件設(shè)計特點重新設(shè)計，保證在阻抗匹配、收斂性及電磁兼容性能等方面符合系統(tǒng)要求。
射頻前端電路手冊圖如圖3所示。其中，Term2為50 Ω天線接口，Term1與Term3及Balun器件CMP1是模擬CC2530射頻輸出端的虛擬器件。

在ADS2011環(huán)境下對該設(shè)計進(jìn)行S參數(shù)仿真及Z參數(shù)仿真，仿真結(jié)果略——編者注。
仿真結(jié)果顯示，匹配網(wǎng)絡(luò)正向傳播系數(shù)為-0．685dB，即插入損耗小于0．076；回波損耗為-22．733 dB，即小于0．073；輸入阻抗為69．181 Ω，輸出阻抗為50．221 Ω，匹配網(wǎng)絡(luò)較好地達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。
2．3 電源模塊設(shè)計
節(jié)點核心芯片CC2530的工作電壓為2～3．6 V，其射頻輸出功率和接收靈敏度受到供電電壓的影響。射頻信號強度信息是定位的關(guān)鍵信息，因此，必須保證供電電壓的穩(wěn)定，才能保證定位信息的準(zhǔn)確。同時，參考節(jié)電與盲節(jié)點根據(jù)應(yīng)用場合不同，將采取普通堿性電池、充電電池、鋰電池、直流電源等多種供電方式，輸入電源電壓范圍較寬。最后，電源模塊需要采用DC—DC轉(zhuǎn)換的方式，以提高電源轉(zhuǎn)換效率，延長電池使用時間。

TI公司的TPS63001為一款升降壓轉(zhuǎn)化器，輸入電壓范圍為1．8～5．5 V，輸出電壓3．3 V，最大輸出電流800mA，采用3 mm×3 mm微型封裝，效率可高達(dá)96％。適用于普通堿性電池、充電電池、鋰電池等多種供電模式，具有適應(yīng)范圍寬、效率高、體積小等優(yōu)點，能夠滿足電源設(shè)計的需求。電源模塊原理如圖4所示。

3 基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點軟件設(shè)計
3．1 軟件結(jié)構(gòu)
節(jié)點的軟件設(shè)計基于OSAL操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用任務(wù)(UserApp)和ZigBee設(shè)備對象任務(wù)(ZDO)一起在OSAL操作系統(tǒng)的調(diào)度下運行，其調(diào)度機制基于優(yōu)先級。其中，用戶應(yīng)用任務(wù)優(yōu)先級最低。節(jié)點軟件架構(gòu)如圖5所示。

ZigBee系統(tǒng)任務(wù)在TI公司提供的Z—Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)。ZigBee協(xié)議從上到下由應(yīng)用層APS、網(wǎng)絡(luò)層NWK、媒體訪問控制層MAC和物理層PHY組成。應(yīng)用層的主要功能與定位信息的采集與傳輸密切相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括配置設(shè)備、路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，確保數(shù)據(jù)安全、有效地傳輸?shù)侥康脑O(shè)備。媒體訪問控制層MAC控制著設(shè)備接入無線信道的時間和方法，確保數(shù)據(jù)鏈的可靠性。物理層PHY主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，完成信道的評估和射頻信號能量的測量。應(yīng)用層APS數(shù)據(jù)從一個ZigBee設(shè)備發(fā)送到另一個ZigBee設(shè)備，是一個層次封裝，然后層次解析的過程。數(shù)據(jù)傳遞流程如圖6所示。

3．2 ZigBee軟件設(shè)計
節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)運行是定位系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，關(guān)系到定位數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。節(jié)點上電后，首先進(jìn)行硬件初始化和網(wǎng)絡(luò)初始化。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的過程如下：節(jié)點在預(yù)先設(shè)定的信道上資料存入自己的相鄰表。在相鄰表所有父節(jié)點中選擇一個深度最小的，并對其發(fā)出入網(wǎng)請求信息。如果發(fā)出的請求被批準(zhǔn)，父節(jié)點會分配給它一個2字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址，此時入網(wǎng)成功；如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請求信息，直到加入網(wǎng)絡(luò)或相鄰表中都沒有合適的父節(jié)點，則入網(wǎng)失敗，中止過程。