基于CC2431的室內定位系統

摘 要：在室內環(huán)境下對移動(dòng)目標定位可使用的技術(shù)主要有超聲波定位技術(shù)、射頻識別技術(shù)以及基于接收信號強度(RSSI)的定位技術(shù)。經(jīng)過(guò)比較，基于接收信號強度(RSSI)的定位技術(shù)更適合于復雜的室內環(huán)境。介紹基于RSSI定位機制的CC2431片內集成定位引擎在室內定位系統中的應用，并在室內環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)測，其定位效果良好。
關(guān)鍵詞：CC2431；信號接收強度；定位引擎；室內定位

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，基于位置的服務(wù)(LBS)顯得越來(lái)越重要。在室外環(huán)境下，全球定位系統(GPS)已經(jīng)比較成功地解決了定位問(wèn)題，它通過(guò)GPS接收機測量來(lái)自5～24個(gè)衛星信號的到達時(shí)間差(TDOA)進(jìn)行位置估算，可以提供接近全球的定位覆蓋范圍。而在室內環(huán)境下，GPS系統由于衛星信號被阻隔而無(wú)法完成定位。與此同時(shí)，室內定位服務(wù)的需求日益增加，室內定位技術(shù)的研究成為各大高校、研究機構和企業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

1 室內定位技術(shù)
目前已有的室內定位技術(shù)主要有：超聲波定位技術(shù)、射頻識別技術(shù)(RFID)以及基于接收信號強度(RS―SI)的定位技術(shù)。
超聲波定位技術(shù)大都采用反射式測距法，即發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的回波，根據回波與發(fā)射波的時(shí)間差計算出待測距離。超聲波定位系統由若干應答器和1個(gè)主測距器組成。主測距器放置在被測物體上，在上位機指令信號的作用下向位置固定的應答器發(fā)射同頻率的無(wú)線(xiàn)信號，應答器在收到無(wú)線(xiàn)信號后向主測距器發(fā)射超聲波信號，從而得到主測距器與各個(gè)應答器之間的距離，進(jìn)而確定被測物體的坐標。Cricket Loca―tion Support System和Active Bat Location System是目前成功使用的兩個(gè)系統。但是這類(lèi)系統需要大量的底層硬件設施投資，成本太高，無(wú)法大面積推廣。
射頻識別(RFID)系統主要由電子標簽、讀卡器以及在標簽與讀卡器之間傳遞射頻信號的微型天線(xiàn)3部分組成。當標簽置于讀卡器發(fā)出固定頻率的電磁場(chǎng)附近獲得了能量并產(chǎn)生上電復位后，原本處于“休眠狀態(tài)”的標簽被激活，并將含有自身種類(lèi)識別碼標志、制造商標志等信息代碼調制到載波上經(jīng)卡內天線(xiàn)發(fā)射出去，供讀卡器處理識別。該定位技術(shù)最典型的例子是LAND―MARC系統，該系統用活性參考標簽Tag替代離線(xiàn)數據采集，其動(dòng)態(tài)參考信息能夠實(shí)時(shí)捕捉環(huán)境變化，提高定位精度和可信度?；钚詤⒖紭撕濼ag的應用免去了每個(gè)測試點(diǎn)數百次的人工數據采集，且能更好地適應室內環(huán)境的波動(dòng)，提高定位精度。該項技術(shù)的定位精度在很大程度上與設備的數量和分布有關(guān)，并要求有與之相配套的設備和基礎設施。
基于接收信號強度(RSSI)定位技術(shù)，并根據接收節點(diǎn)收到的信號強度，計算出信號的傳播損耗；利用理論與經(jīng)驗模型，將傳輸損耗轉化為距離，再計算出節點(diǎn)的位置。目前很多控制芯片都具有測量RSSI的功能，無(wú)需添加額外的硬件設備來(lái)進(jìn)行精確的時(shí)間同步和角度測量，降低了成本，系統的可擴展性良好。因此該項技術(shù)已成為室內定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

2 CC2431定位系統
CC2431是TI公司推出的針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )ZigBeeTM／IEEE 802．15．4應用的片上系統(SoC)解決方案。其內部集成了CC2420射頻收發(fā)器、工業(yè)標準增強型8051MCU內核、128 KB Flash ROM和8 KBRAM。由于CC2431可工作在4種工作模式下，且工作模式之間的轉換時(shí)間較短，因而能夠滿(mǎn)足超低功耗系統的要求。CC2431的主要性能特點(diǎn)如下：
(1)定位引擎能精確計算網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)位置；
(2)具有高性能低功耗的8051控制器核；
(3)集成符合IEEE 802．15．4標準的2．4 GHz RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(具有工業(yè)級領(lǐng)先的CC2420射頻內核)；
(4)優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾性能；
(5)128 KB可編程閃存；
(6)8 KB RAM，4 KB帶所有功耗模式數據保持功能；
(7)強大的DMA功能；
(8)極少的外部元器件；
(9)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )僅需單一晶體；
(10)低電流損耗(微控制器運行于32 MHz時(shí)，接收和發(fā)射分別為27 mA和25 mA)；
(11)休眠模式時(shí)僅0．9μA電流損耗，外部中斷或RTC能喚醒系統；
(12)待機模式下小于O．6μA電流損耗，外部中斷能喚醒系統；
(13)低功耗模式與主動(dòng)模式之間的快速切換保證了低占空比系統的超低平均功耗；
(14)硬件支持CSMA／CA功能；
(15)較寬的電壓范圍(2．O～3．6V)；
(16)數字化的RSSI／LQI支持；
(17)具有電池監測和溫度傳感器；
(18)多達8路輸入的8～14位模／數轉換；
(19)集成AES一128安全協(xié)處理器；
(20)帶有兩個(gè)功能強大的支持多組協(xié)議的USART；
(21)支持硬件調試；
(22)集成看門(mén)狗定時(shí)器；
(23)具有1個(gè)符合IEEE 802．15．4規范的MAC計時(shí)器，1個(gè)常規的16位計時(shí)器和兩個(gè)8位計時(shí)器；
(24)21個(gè)普通I／O引腳，其中兩個(gè)具有20 mA驅動(dòng)能力；
(25)強大靈活的開(kāi)發(fā)工具。
2．1 CC2431定位引擎的操作
CC2431的定位引擎采用基于接收信號強度指示(RSSI)的距離定位方法，根據接收信號強度及已知參考節點(diǎn)位置，準確計算出待定位節點(diǎn)的位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端，與集中型定位系統相比，進(jìn)行分布節點(diǎn)定位，以減少網(wǎng)絡(luò )通信量和網(wǎng)絡(luò )通信延遲。CC2431的定位引擎操作流程如圖1所示。