基于CC2430的便攜式無(wú)線(xiàn)搜救器設計

隨著(zhù)國家經(jīng)濟發(fā)展，對礦山及煤礦資源的依賴(lài)性也日益增大，因此而導致的礦山災害也日益增多。在搶救遇難人員時(shí)，方便，快捷，定位精確的搜救系統就顯得尤為重要，本文正是基于這一思想，利用無(wú)線(xiàn)射頻芯片自組網(wǎng)的特性，通過(guò)佩戴在遇難者身上不斷傳回的數據值，從而確定遇難者的所處位置，并迅速的進(jìn)行營(yíng)救。

1 無(wú)線(xiàn)搜救器原理

無(wú)線(xiàn)搜救器系統的主要工作原理是在802.15.14/Zigbee 網(wǎng)絡(luò )中被稱(chēng)為終端的射頻卡（佩戴在遇難人員身上）以一個(gè)固定的時(shí)間頻率往協(xié)調器（手持搜救器）發(fā)送數據幀，在該數據幀中包括一個(gè)接收信號強度值（RSSI），信號強度的衰減和距離成指數衰減的關(guān)系，兩者之間的關(guān)系為：

其中d 表示距離，n 為信號傳播常量，A 為每米信號接收強度，根據實(shí)驗數據分析，n 值得最佳范圍為3.25-4.5，A 值得最佳范圍為45-49.對（1）式進(jìn)行等價(jià)變換，可得：

然后根據d 的變化便可以動(dòng)態(tài)的得知搜救器與終端之間的距離以及方位的變化。

2 系統總體設計

整個(gè)無(wú)線(xiàn)搜救器包括兩部分，一個(gè)是射頻卡終端，平常工作時(shí)做為人員考勤卡使用，災難發(fā)生時(shí)，具有定位遇難者位置的功能，主要芯片是CC2430.無(wú)線(xiàn)搜救器由三星公司的ARMS3C2440 和CC2430 構成，主要功能為收集射頻卡終端發(fā)來(lái)的數據并進(jìn)行定位處理。

2.1 無(wú)線(xiàn)射頻終端

射頻卡終端選用TI 公司的CC2430 做為無(wú)線(xiàn)射頻芯片，該芯片是Chipcon 公司生產(chǎn)的首款符合802.15.14/Zigbee 技術(shù)的射頻系統單芯片。適用于各種ZigBee 或類(lèi)似ZigBee 的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，包括調諧器、路由器和終端設備。其具有非常顯著(zhù)的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)多、傳輸距離遠等優(yōu)勢，具有以下主要特點(diǎn)：集成符合IEEE802.15.4 標準的RF 無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機；優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾性；硬件支持CSMA/CA 功能；數字化的RSSI/LQI 支持。

CC2430 的硬件應用電路如下圖所示，因為考慮到無(wú)線(xiàn)射頻終端每個(gè)員工都需佩戴一個(gè)，從節約成本角度出發(fā)，采取了一種簡(jiǎn)單典型的設計方法，電路使用一個(gè)非平衡天線(xiàn)，連接非平衡變壓器可使天線(xiàn)性能更好。

圖1 CC2430 電路應用圖

電路中的非平衡變壓器由電容 C341 和電感 L341、L321、L331 以及一個(gè) PCB 微波傳輸線(xiàn)組成，整個(gè)結構滿(mǎn)足RF 輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求。內部T/R 交換電路完成LNA 和PA 之間的交換。R221 和R261 為偏置電阻，電阻R221 主要用來(lái)為32 MHz的晶振提供一個(gè)合適的工作電流。用1 個(gè) 32 MHz 的石英諧振器（XTAL1）和2 個(gè)電容（C191 和C211）構成一個(gè)32MHz 的晶振電路。用1 個(gè)32.768 kHz 的石英諧振器（XTAL2）和2 個(gè)電容（C441 和C431）構成一個(gè)32.768 kHz 的晶振電路。電壓調節器為所有要求1.8V 電壓的引腳和內部電源供電，C241 和 C421電容是去耦合電容，用來(lái)電源濾波，以提高芯片工作的穩定性。

2.2 無(wú)線(xiàn)搜救器

無(wú)線(xiàn)搜救器由控制模塊、接收模塊、電源模塊、顯示模塊以及存儲模塊組成?？刂颇K主要有三星公司的S3C2440 構成，主要負責接收由射頻接收模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數據并對其進(jìn)行處理，提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘及看門(mén)狗的功能。通過(guò)指示燈和蜂鳴器對搜救工作的狀態(tài)進(jìn)行指示。接收模塊由CC2430 構成，主要負責接收無(wú)線(xiàn)射頻終端的數據，802.15.14/Zigbee 協(xié)議處理以及執行BI 和SI 的動(dòng)態(tài)調度算法。存儲模塊存儲各種與應用相關(guān)的數據，主要通過(guò)外部的RAM 和ROM擴展來(lái)實(shí)現。電源模塊為盡量減少系統的功耗滿(mǎn)足電池供電的要求，在硬件設計中采用了低功耗的器件，如射頻芯片，RS-232 芯片，存儲芯片等都能在3.3V下正常工作。LCD 顯示模塊實(shí)時(shí)的將遇難者總數，遇難者與搜救器之間的距離，遇難者的個(gè)人信息如ID 編號等顯示在LCD 顯示屏上。硬件連接框圖如下所示：

圖2 搜救器硬件框圖

2.3 系統軟件實(shí)現

無(wú)線(xiàn)搜救器系統分為無(wú)線(xiàn)搜救器和人員終端射頻卡兩部分，終端無(wú)線(xiàn)搜救器做為網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器，負責建立一個(gè)信標使能的網(wǎng)絡(luò )，并允許有加入請求的終端射頻卡加入到網(wǎng)絡(luò )中來(lái)，當加入成功后，便可進(jìn)行數據的傳送，軟件流程圖如圖3 所示。終端射頻卡在無(wú)災難發(fā)生時(shí)作為考情卡使用，當災難發(fā)生時(shí)則作為定位卡使用，流程如圖4。

圖3 協(xié)調器流程圖

圖4 終端流程圖

2.4 BI 和SI 的動(dòng)態(tài)設定調度算法

無(wú)線(xiàn)搜救器在搜尋遇難者的時(shí)候需要收集大量的RSSI 值來(lái)進(jìn)行定位，這就意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的通信非常繁忙。

一般的網(wǎng)絡(luò )對于信標間隔（BI）和超幀活動(dòng)區間（SD）都是設定為定值的，但是在通信繁忙的時(shí)候協(xié)調器或路由器就有可能因為其傳輸的數據量大，而其超幀活動(dòng)區間又比較小，有可能引發(fā)數據包丟失等情況，從而成為網(wǎng)絡(luò )數據傳輸的瓶頸。本系統從實(shí)際實(shí)驗出發(fā)，采取了一種動(dòng)態(tài)設定BI 和SI 的方法，流程如圖5 所示。

圖5 算法流程圖

3 實(shí)驗結果分析

在Zigbee 網(wǎng)絡(luò )的幾種拓撲結構中，簇-樹(shù)狀拓撲具有建網(wǎng)迅速，節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )成功率高以級路由途徑多等特點(diǎn)，并且具有網(wǎng)絡(luò )自愈功能，且因路由器具有數據轉發(fā)能力，可實(shí)現更大數據量的傳輸，所以在實(shí)驗中，我們將射頻卡的類(lèi)型全部設置為路由器，拓撲結構為簇-樹(shù)狀拓撲。通過(guò)Packet Sniffer CC2430IEEE802.15.14 軟件跟蹤的數據幀中每幀字節數計算出在每個(gè)超幀活動(dòng)區間內終端傳輸的數據量，下面是BO 和SO 為定值與動(dòng)態(tài)設定BO 和SO 值兩種情況下的數據傳輸量的對比：

表1 傳輸數據對比表

由表1 可知，在動(dòng)態(tài)設定BO 和SO 值時(shí)，可顯著(zhù)增大傳輸數量，從而大大增加定位時(shí)的精度和搜救器的靈敏度。

在采取動(dòng)態(tài)設定BO，SO 值方法時(shí)，對無(wú)線(xiàn)搜救系統的精度和靈敏度進(jìn)行實(shí)驗可得：當無(wú)線(xiàn)搜救器距離終端射頻卡45 米左右便可搜索到終端卡的信號，此時(shí)定位誤差在3 米以?xún)?，隨著(zhù)兩者之間距離的接近，定位誤差相應減少，在20 米左右定位誤差可控制在1米以?xún)?，考慮到這是在實(shí)驗狀態(tài)下得出的結論，在實(shí)際應用中因各種環(huán)境的干擾，靈敏度與定位精度都會(huì )有所下降，但是一般礦山中的甬道的長(cháng)度大部分都是在10 多米左右，定位誤差在0.7 米左右。綜合以上實(shí)驗數據，該無(wú)線(xiàn)搜救器系統是可以滿(mǎn)足實(shí)際工程當中的應用的。

4 結語(yǔ)

通過(guò)采集各個(gè)射頻終端卡的RSSI 值，實(shí)現了定位和搜救功能，并利用動(dòng)態(tài)設置BO，SO 的方法，創(chuàng )新性的運用到無(wú)線(xiàn)搜救領(lǐng)域，最優(yōu)化了信標間隔，解決了數據傳輸瓶頸的問(wèn)題，從而間接的提高了定位的精度和靈敏度。在此設計基礎上，定位的精度和節點(diǎn)穿透能力還需要做進(jìn)一步的完善和研究。