ZigBee技術(shù)中基于RSSI測距的定位算法研究

摘要：采用CC2430／CC2431為核心芯片設計ZigBee節點(diǎn)，并采用此類(lèi)節點(diǎn)構成一個(gè)ZigBee定位網(wǎng)絡(luò )。根據節點(diǎn)接收信號強度(RSSI)的模型，估計出盲節點(diǎn)與參考節點(diǎn)的距離，并采用最小二乘法對估計的距離進(jìn)行修正。選擇3個(gè)接收信號強度最強的參考節點(diǎn)，根據修正的距離采用三邊測量法估計出盲節點(diǎn)的坐標。實(shí)驗表明，修正后的定位精度高于修正前的定位精度。
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；節點(diǎn)定位；RSSI；最小二乘法

引言
ZigBee技術(shù)中定義了3種設備：協(xié)調器(Coordinator)，路由器(Router)和終端設備(End-Device)。協(xié)調器主要負責啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )；路由器的功能主要是允許其他設備加入網(wǎng)絡(luò )及多跳路由等；終端設備一般沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò )結構的責任。ZigBee技術(shù)通過(guò)這3種設備可以構成一個(gè)移動(dòng)自組織的網(wǎng)絡(luò )，廣泛應用在家庭、環(huán)境監測、工農業(yè)等場(chǎng)合。目前的定位技術(shù)總體上可以分為基于測距技術(shù)與無(wú)需測距技術(shù)。前者定位精度較高，后者實(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單。在測距技術(shù)中，有基于接收信號強度(RSSI)、基于到達時(shí)間差(TOA)、基于不同波的到達時(shí)間差(TDOA)以及到達角度差(AOA)等。在這幾種測距技術(shù)中，基于RSSI的測距技術(shù)將接收到的信號強度轉換為節點(diǎn)之間的距離，不需要額外的硬件和數據交換，有成本低、容易實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)。本文結合CC2430／CC2431芯片，設計了一種基于RSSI的測距定位算法。

1 RSSI測距的實(shí)現原理
基于RSSI的測距技術(shù)是利用無(wú)線(xiàn)電信號隨距離增大而有規律地衰減的原理來(lái)測量節點(diǎn)間的距離的。接收信號強度RSSI與傳輸距離d的關(guān)系如下所示：
RSSI=-(10×n×lgd+A) (1)
式中，n表示信號傳播常數，也叫傳播系數；d表示與發(fā)送者的距離；A表示距發(fā)送者1 m時(shí)的信號強度。測距精度的高低受到n與A實(shí)際取值大小的影響較大。A是一個(gè)經(jīng)驗參數，可以通過(guò)測量距離發(fā)送者1 m處的RSSI值得到。n是用來(lái)描述信號強度隨距離增加而遞減的參量，n的大小依賴(lài)具體的環(huán)境。為了得到最優(yōu)的n值，可以先放置好所有的參考節點(diǎn)，然后嘗試用不同的n_index值找到最適合這個(gè)具體環(huán)境的n值。

2 節點(diǎn)組成的定位網(wǎng)絡(luò )
2．1 CC2430／CC2431芯片介紹
CC2430／CC2431是Chipcon公司(現被TI收購)推出的針對IEEE802．15．4／ZigBee應用的片上系統，其內部集成了工作在2．4 GHz的射頻收發(fā)器，擁有低功耗的8051 MCU內核、128 KB可編程Flash ROM和8 KB RAM，還有A／D轉換器、定時(shí)器等。另外，CC2431片上系統由CC2430加上Motorola公司基于IEEE802．15．4標準的無(wú)線(xiàn)定位引擎組成。其定位引擎支持3～16個(gè)參考節點(diǎn)的定位運算，最高精度可達0．5 m；定位時(shí)間少于40μs，定位區域為64m×64m，定位誤差為3～5m，與一般軟件定位相比，具有定位速度快、定位準確度高、消耗CPU資源少的特點(diǎn)。
CC2430／CC2431主要外同電路圖如圖1所示。