基于CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)

摘 要：在室內(nèi)環(huán)境下對移動目標定位可使用的技術主要有超聲波定位技術、射頻識別技術以及基于接收信號強度(RSSI)的定位技術。經(jīng)過比較，基于接收信號強度(RSSI)的定位技術更適合于復雜的室內(nèi)環(huán)境。介紹基于RSSI定位機制的CC2431片內(nèi)集成定位引擎在室內(nèi)定位系統(tǒng)中的應用，并在室內(nèi)環(huán)境下進行了實測，其定位效果良好。
關鍵詞：CC2431；信號接收強度；定位引擎；室內(nèi)定位

    隨著無線通信和無線傳感器網(wǎng)絡技術的發(fā)展，基于位置的服務(LBS)顯得越來越重要。在室外環(huán)境下，全球定位系統(tǒng)(GPS)已經(jīng)比較成功地解決了定位問題，它通過GPS接收機測量來自5～24個衛(wèi)星信號的到達時間差(TDOA)進行位置估算，可以提供接近全球的定位覆蓋范圍。而在室內(nèi)環(huán)境下，GPS系統(tǒng)由于衛(wèi)星信號被阻隔而無法完成定位。與此同時，室內(nèi)定位服務的需求日益增加，室內(nèi)定位技術的研究成為各大高校、研究機構和企業(yè)的一個研究熱點。

1 室內(nèi)定位技術
    目前已有的室內(nèi)定位技術主要有：超聲波定位技術、射頻識別技術(RFID)以及基于接收信號強度(RS—SI)的定位技術。
    超聲波定位技術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(jù)回波與發(fā)射波的時間差計算出待測距離。超聲波定位系統(tǒng)由若干應答器和1個主測距器組成。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)射同頻率的無線信號，應答器在收到無線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應答器之間的距離，進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系統(tǒng)。但是這類系統(tǒng)需要大量的底層硬件設施投資，成本太高，無法大面積推廣。
    射頻識別(RFID)系統(tǒng)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3部分組成。當標簽置于讀卡器發(fā)出固定頻率的電磁場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，并將含有自身種類識別碼標志、制造商標志等信息代碼調(diào)制到載波上經(jīng)卡內(nèi)天線發(fā)射出去，供讀卡器處理識別。該定位技術最典型的例子是LAND—MARC系統(tǒng)，該系統(tǒng)用活性參考標簽Tag替代離線數(shù)據(jù)采集，其動態(tài)參考信息能夠?qū)崟r捕捉環(huán)境變化，提高定位精度和可信度?；钚詤⒖紭撕濼ag的應用免去了每個測試點數(shù)百次的人工數(shù)據(jù)采集，且能更好地適應室內(nèi)環(huán)境的波動，提高定位精度。該項技術的定位精度在很大程度上與設備的數(shù)量和分布有關，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，并根據(jù)接收節(jié)點收到的信號強度，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(jié)點的位置。目前很多控制芯片都具有測量RSSI的功能，無需添加額外的硬件設備來進行精確的時間同步和角度測量，降低了成本，系統(tǒng)的可擴展性良好。因此該項技術已成為室內(nèi)定位技術的研究熱點。

2 CC2431定位系統(tǒng)
    CC2431是TI公司推出的針對無線傳感器網(wǎng)絡ZigBeeTM／IEEE 802．15．4應用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。其內(nèi)部集成了CC2420射頻收發(fā)器、工業(yè)標準增強型8051MCU內(nèi)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間較短，因而能夠滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。CC2431的主要性能特點如下：
    (1)定位引擎能精確計算網(wǎng)絡中節(jié)點位置；
    (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無線收發(fā)機(具有工業(yè)級領先的CC2420射頻內(nèi)核)；
    (4)優(yōu)良的無線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(shù)據(jù)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)絡僅需單一晶體；
    (10)低電流損耗(微控制器運行于32 MHz時，接收和發(fā)射分別為27 mA和25 mA)；
    (11)休眠模式時僅0．9μA電流損耗，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；
    (12)待機模式下小于O．6μA電流損耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；
    (13)低功耗模式與主動模式之間的快速切換保證了低占空比系統(tǒng)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(shù)字化的RSSI／LQI支持；
    (17)具有電池監(jiān)測和溫度傳感器；
    (18)多達8路輸入的8～14位模／數(shù)轉換；
    (19)集成AES一128安全協(xié)處理器；
    (20)帶有兩個功能強大的支持多組協(xié)議的USART；
    (21)支持硬件調(diào)試；
    (22)集成看門狗定時器；
    (23)具有1個符合IEEE 802．15．4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和兩個8位計時器；
    (24)21個普通I／O引腳，其中兩個具有20 mA驅(qū)動能力；
    (25)強大靈活的開發(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(jù)接收信號強度及已知參考節(jié)點位置，準確計算出待定位節(jié)點的位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端，與集中型定位系統(tǒng)相比，進行分布節(jié)點定位，以減少網(wǎng)絡通信量和網(wǎng)絡通信延遲。CC2431的定位引擎操作流程如圖1所示。

    定位引擎需要3～16個參考節(jié)點的坐標[x0，y0,x1,y1,…，x15，y15]作為輸入。參考節(jié)點的坐標表示每個參考節(jié)點的位置，是在[O，63．75]范圍內(nèi)的無符號數(shù)值。最高分辨率為0．25 m。所有參考坐標被裝載入RF寄存器REFCOORD。在寫入寄存器REFCOORD之前，寄存器LOCENG．REFLD位必須置1以指示有1組參考坐標要寫入。16個坐標對都必須寫入，當定位引擎使用的參考節(jié)點數(shù)少于16個時，為了標記某些參考坐標未使用，將0載入作為未使用的參考坐標值，這些參考節(jié)點的RSSI值為O．O。當所有參考坐標寫入后，LOCENG．REFLD=0。定位引擎除了需要參考坐標外，還需要一組測量參數(shù)，這些參數(shù)包括：2個射頻參數(shù)A和n，4個搜索邊界坐標和16個RSSI值。定義參數(shù)A為距離發(fā)射機1 m參考距離下接收信號強度的絕對值，定位引擎要求參數(shù)A的范圍為[30．0，50．0]，精度為0．5。參數(shù)A為無符號定點值，最后一位為小數(shù)位，其余位表示整數(shù)部分。參數(shù)n被定義為路徑損耗指數(shù)(描述信號功率隨著距離的增加而衰減的速率)，這種衰減正比于d=n(d表示發(fā)射機與接收機之間的距離)。在估算定位x，y坐標時，先設定搜索邊界，以降低錯誤和估計時間，最大搜索區(qū)域的x，y范圍為[0．0，63．75]。假設定位引擎搜索被限制在一個矩形區(qū)域，坐標為(xmin，ymin)和(xmax，ymax)，輸入定位引擎的4個搜索邊界參數(shù)為xmin，xdelta，ymin，ydelta，其中xdelta=xmax一xminydelta=ymax-ymin，如果選擇在整個可能的區(qū)域內(nèi)搜索，則這4個參數(shù)值為：0．0，63．75，0．0，63．75。如果某個參數(shù)遺漏，則定位引擎無法正確地估算位置。RSSI值是對應于一組參考坐標的RSSI測量值，其范圍在[一40 dBm，一95 dBm]，精度0．5 dBm，寫入時符號被去掉。如果使用的參考節(jié)點個數(shù)少于16個，則必須寫入0．O作為接收信號強的度值。所有測量得到的參數(shù)都裝載入RF寄存器MEASPARM。在寫入MEASPARM之前，寄存器位LOCENG．PARID必須置1，以指示有1組測量得到的參數(shù)要寫入。參數(shù)裝載過程開始后，所有22個參數(shù)都必須被寫入。測量得到的參數(shù)寫入順序為[A，n，xmin，xdelta，ymin，ydelta，RSSI0，RSSI1，…，RSSI15]。 當參考坐標和測量得到的參數(shù)寫入后，通過將寄存器位LOCENG．RUN置1啟動定位估計計算。當LOCENG．DONE置1時，估計得到的坐標可以從寄存器LOCX和LOCY中讀出。LOCENG．RUN置1到讀出估計坐標的時間間隔則根據(jù)搜索邊界參數(shù)的不同在50μs～13 ms之間變化。定位引擎不產(chǎn)生任何中斷請求。由LOCX寄存器給出的x坐標估計值包含一個偏移量，該偏移量必須被去除，以得到真實的x坐標。去除的方法如下：x=(xLOCX-xmin+1)％(xdelta+1)+xmin?？芍苯邮褂糜蒐OCY寄存器給出的y坐標估計值。
2．2 CC2431定位系統(tǒng)的操作流程
    CC2431定位系統(tǒng)由網(wǎng)絡監(jiān)控管理設備、參考節(jié)點與盲節(jié)點組成。其中，網(wǎng)絡監(jiān)控管理設備使用串口發(fā)送和接收定位協(xié)議消息，它依附于主系統(tǒng)并且被用作匯聚節(jié)點接收盲節(jié)點響應、配置參考節(jié)點以及設置盲節(jié)點參數(shù)。當網(wǎng)絡監(jiān)控管理設備應用程序接收到盲節(jié)點的響應信息時，通過串口把數(shù)據(jù)傳給主系統(tǒng)。盲節(jié)點包含CC2431定位引擎，定位引擎通過無線測距范圍內(nèi)應答的參考節(jié)點坐標以及發(fā)送至這些參考節(jié)點信息的。RSSI值完成定位運算。盲節(jié)點首先發(fā)出一定時序的RSSIBlast信息廣播，當?shù)却す?jié)點已配置完成規(guī)定的時間間隔后，盲節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)出XY—RSSI請求廣播，每個接收到RSSI Blast信息廣播的參考節(jié)點將進行接收到信息的RSSI值計算，當接收到XY—RSSI請求時，參考節(jié)點將向盲節(jié)點發(fā)回其位置信息以及RSSI值。整個定位系統(tǒng)的定位時序圖如圖2所示。

3 實驗測試及驗證結果
    這里以TI公司的CC2431節(jié)點作為實驗平臺，選擇8．O m×8．0 m的實驗室作為實地測試環(huán)境進行測試，在實驗室的4個墻角及中間位置布置了5個CC2431作為參考節(jié)點，其位置已知且固定不動。盲節(jié)點對均勻分布在測試環(huán)境內(nèi)的49個點進行定位測試，定位結果如圖3所示：
    根據(jù)獲取的待定位節(jié)點坐標實測數(shù)據(jù)，通過Mat—lab進行數(shù)據(jù)處理，以得到系統(tǒng)的定位誤差，定位誤差的分布如圖4所示：

    由圖4曲線可以看出，在室內(nèi)環(huán)境下，采用CC2431定位系統(tǒng)能夠分別實現(xiàn)50％和90％的定位，結果誤差前者在1．O m以內(nèi)，后者在2．5 m以內(nèi)，完全能夠達到室內(nèi)環(huán)境下定位精度的要求。

4 結 語
    首先比較目前已有的室內(nèi)定位技術的優(yōu)缺點，重點介紹CC2431定位引擎的使用方法和CC2431定位系統(tǒng)的定位流程。完成了定位系統(tǒng)的部署，定位結果令人滿意。CC2431能夠滿足低功耗、抗干擾、準確快速定位的要求，為室內(nèi)定位提供具有競爭力的解決方案。