基于CC2431的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的研究

　　引言

　　GPS等衛星導航定位技術(shù)廣泛應用于各種領(lǐng)域。然而在室內、地下等場(chǎng)合的定位需求卻有其局限性。近幾年來(lái)，隨著(zhù)IEEE802．15．4商業(yè)標準的逐漸完善，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)的相關(guān)技術(shù)開(kāi)始被廣泛討論和研究。隨著(zhù)，TI公司提出帶硬件定位引擎的片上系統(SoC)解決方案CC2431。以及WSN用于無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)被廣泛研究，該器件能滿(mǎn)足低功耗ZigBee／IEEE802．15．4無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用需要，CC2431的定位引擎基于接收信號強度指示RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)技術(shù)，相比于集中型定位系統，RSSI功能降低網(wǎng)絡(luò )流量與通信延遲，在典型應用中可實(shí)現3～5m的定位精度和0．25m的分辨率。這里基于RSSI定位技術(shù)，詳細介紹CC2431無(wú)線(xiàn)定位系統的構成、定位原理，并實(shí)現了基于CC2431無(wú)線(xiàn)定位系統的設計。

　　2CC2431簡(jiǎn)介

　　CC2431以強大的IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為支持，結合Zig-Bee協(xié)議棧、工具包和參考設計，展示領(lǐng)先的ZigBee解決方案，其產(chǎn)品廣泛應用于汽車(chē)、工控系統和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )等領(lǐng)域，同時(shí)也適用于ZigBee之外的2．4GHz頻率的其他設備。CC2431的定位引擎基于RSSI技術(shù)．根據接收信號強度與已知參考節點(diǎn)位置準確計算出有關(guān)節點(diǎn)位置。然后將位置信息發(fā)送至接收端。

　　3基于CC2431定位原理及實(shí)現

　　3．1RSSI定位技術(shù)

　　RSSI是指節點(diǎn)接收到的無(wú)線(xiàn)信號強度大小。在基于RSSI的定位中，已知發(fā)射節點(diǎn)的發(fā)射信號強度，接收節點(diǎn)根據接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗。利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉化為距離．并進(jìn)一步利用三角定位法確定待定位節點(diǎn)位置。該技術(shù)硬件要求較低、算法相對簡(jiǎn)單，并且一些通信協(xié)議中已攜帶有RSSI的信息，這樣使得基于RSSI定位方法具有廣泛的應用前景。該技術(shù)在實(shí)驗室環(huán)境中表現出良好特性，但由于環(huán)境因素變化等原因．實(shí)際應用中還需進(jìn)一步改進(jìn)。

　　3．2基于CC2431的定位系統

　　定位系統由參考節點(diǎn)和定位節點(diǎn)組成。參考節點(diǎn)是一個(gè)位于已知位置的靜態(tài)節點(diǎn)，該節點(diǎn)確知自身的位置并可將其位置通過(guò)發(fā)送數據包通知其他參考節點(diǎn)(采用CC2430)。定位節點(diǎn)從參考節點(diǎn)處接收數據包信號，獲得參考節點(diǎn)位置坐標及相應的RSSI值并將其送入定位引擎，然后讀出由定位引擎計算得到的自身位置。

　　由參考節點(diǎn)發(fā)送給定位節點(diǎn)的數據包至少包含參考節點(diǎn)的坐標參數水平位置X和垂直位置Y。而RSSI值可由接收節點(diǎn)計算獲得。圖1為具體定位系統原理框圖。

　　該定位系統原理框圖中各部分的作用如下：

　　(1)主機采用一臺普通的PC，主機連接網(wǎng)關(guān)實(shí)現對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的工作調度，編寫(xiě)的定位軟件可實(shí)時(shí)觀(guān)察各個(gè)定位節點(diǎn)和參考節點(diǎn)的運行情況。

　　(2)網(wǎng)關(guān)該網(wǎng)關(guān)用于組建一個(gè)ZigBeeWSN網(wǎng)絡(luò )，并充當協(xié)調器，把定位節點(diǎn)坐標及外部環(huán)境參數傳送給主機。

　　(3)參考節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中充當路由器的角色。而且在定位系統中，它由用戶(hù)指定固定坐標，并為定位節點(diǎn)提供該坐標和RSSI平均值。參考節點(diǎn)(referencenode)是一種已知靜態(tài)節點(diǎn)，其坐標(x，y)是固定的，并且不參與定位計算，可由CC2430或CC2431器件實(shí)現。一個(gè)定位區域通常由8個(gè)參考節點(diǎn)組成。系統至少需要3～4個(gè)參考節點(diǎn)才能進(jìn)行定位。本文采用CC2430作為參考節點(diǎn)來(lái)實(shí)現。

　　(4)定位節點(diǎn)其內部具有定位引擎，能夠根據參考節點(diǎn)提供的同定坐標和RSSI平均值計算出自身的精確位置(坐標)，并把該坐標協(xié)同定位節點(diǎn)標識號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。本文中核心器件采用CC2431實(shí)現。

　　3．3定位工作流程

　　定位節點(diǎn)(blindnode)是一類(lèi)可移動(dòng)的節點(diǎn)，可在參考節點(diǎn)包圍的區域內任意移動(dòng)。定位節點(diǎn)接收區域內所有參考節點(diǎn)的RSSI值后，通過(guò)定位算法來(lái)計算其坐標位置。定位節點(diǎn)南CC2431器件實(shí)現。采用該器件，可實(shí)現0．25m的定位分辨率和3m左右的定位精度，定位時(shí)間小于40μs。圖2是參考節點(diǎn)工作流程圖，圖3為定位節點(diǎn)工作流程圖。

　　4ZigBee定位系統實(shí)驗結果及分析

　　實(shí)驗區域描述：本實(shí)驗在教學(xué)樓五樓實(shí)驗室進(jìn)行：長(cháng)×寬＝8．13m×8．10m，在本次實(shí)驗中使用6個(gè)參考節點(diǎn)和1個(gè)定位節點(diǎn)，各參考節點(diǎn)坐標設置如圖4所示。參考節點(diǎn)旁邊的數字為節點(diǎn)編號，6個(gè)參考節點(diǎn)(黑色的為參考節點(diǎn))坐標依次為(單位為m)：1(8．00，8．00)，99(12．00，8．00)，101(16．00，8．00)，10(8．00，16．00)，16(12．00，16．00)，98(16．00，16．00)。

　　表l為本次實(shí)驗所測的數據，(x，y)為定位節點(diǎn)的實(shí)際所處位置的坐標，(x1，y1)為上位機GUI軟件所測的定位節點(diǎn)坐標數據。一共測得21組數據，如表1所示。

　　以上所測得的數據除個(gè)別誤差較大外，如第11，14，16，17組數據；其他的都比較接近節點(diǎn)的真實(shí)位置。誤差的來(lái)源較多，比如定位節點(diǎn)靠近墻壁時(shí)誤差會(huì )比較大，定位節點(diǎn)天線(xiàn)的朝向對誤差的大小也有較大影響。

　　圖5是根據相關(guān)通信協(xié)議編寫(xiě)的上位機無(wú)線(xiàn)定位軟件ZWS_lum的界面，黑色的點(diǎn)代表參考節點(diǎn)，白色的點(diǎn)代表定位節點(diǎn)。當定位節點(diǎn)靠近或遠離參考節點(diǎn)時(shí)，在程序中可以清楚的看到相應的定位效果。

　　該軟件不僅可以顯示實(shí)際的組網(wǎng)信息，而且還可以：對于參考節點(diǎn)，顯示其X、Y坐標，并可以修改在平面區域的X、Y坐標，然后刷新到該拓撲圖上，這樣可以根據實(shí)際定位區域的需要來(lái)布置參考節點(diǎn)；對于定位節點(diǎn)，可以顯示其在平面區域的實(shí)時(shí)位置信息，表1中的坐標(x1,y1)信息就是通過(guò)該軟件獲取得到的。該信息每隔5s更新一次，另外還可以通過(guò)該界面查看定位節點(diǎn)配置參數信息。

　　5結束語(yǔ)

　　CC2430／2431是一款針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )ZigBee／IEEE802．15．4的片上系統(SoC)解決方案，其硬件定位引擎具有硬件設備要求低、定位精度高的特點(diǎn)，很好地滿(mǎn)足了市場(chǎng)需求。采用該方式組網(wǎng)建立室內定位系統可達到1～2m之內的定位精度。通過(guò)合理布設參考節點(diǎn)，該系統可應用在樓內、地下、隧道等場(chǎng)，所實(shí)現高精度室內定位，因此，可以預見(jiàn)，基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)在未來(lái)將會(huì )有很好的發(fā)展及應用。