基于CC2431的無線定位技術(shù)研究

 引言
    GPS等衛(wèi)星導航定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。然而在室內(nèi)、地下等場合的定位需求卻有其局限性。近幾年來，隨著IEEE 802．15．4商業(yè)標準的逐漸完善，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的相關(guān)技術(shù)開始被廣泛討論和研究。隨著，TI公司提出帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案CC2431。以及WSN用于無線定位技術(shù)被廣泛研究，該器件能滿足低功耗ZigBee／IEEE 802．15．4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要，CC2431的定位引擎基于接收信號強度指示RSSI(Received Signal StrengthIndicator)技術(shù)，相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能降低網(wǎng)絡(luò)流量與通信延遲，在典型應(yīng)用中可實現(xiàn)3～5 m的定位精度和0．25 m的分辨率。這里基于RSSI定位技術(shù)，詳細介紹CC2431無線定位系統(tǒng)的構(gòu)成、定位原理，并實現(xiàn)了基于CC2431無線定位系統(tǒng)的設(shè)計。

2 CC2431簡介
    CC2431以強大的IAR集成開發(fā)環(huán)境為支持，結(jié)合Zig-Bee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計，展示領(lǐng)先的ZigBee解決方案，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，同時也適用于ZigBee之外的2．4 GHz頻率的其他設(shè)備。CC2431的定位引擎基于RSSI技術(shù)．根據(jù)接收信號強度與已知參考節(jié)點位置準確計算出有關(guān)節(jié)點位置。然后將位置信息發(fā)送至接收端。

3 基于CC2431定位原理及實現(xiàn)
3．1 RSSI定位技術(shù)
    RSSI是指節(jié)點接收到的無線信號強度大小。在基于RSSI的定位中，已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點根據(jù)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(zhuǎn)化為距離．并進一步利用三角定位法確定待定位節(jié)點位置。該技術(shù)硬件要求較低、算法相對簡單，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(yīng)用前景。該技術(shù)在實驗室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性，但由于環(huán)境因素變化等原因．實際應(yīng)用中還需進一步改進。
3．2 基于CC2431的定位系統(tǒng)
    定位系統(tǒng)由參考節(jié)點和定位節(jié)點組成。參考節(jié)點是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點，該節(jié)點確知自身的位置并可將其位置通過發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他參考節(jié)點(采用CC2430)。定位節(jié)點從參考節(jié)點處接收數(shù)據(jù)包信號，獲得參考節(jié)點位置坐標及相應(yīng)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(jié)點發(fā)送給定位節(jié)點的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點的坐標參數(shù)水平位置X和垂直位置Y。而RSSI值可由接收節(jié)點計算獲得。圖1為具體定位系統(tǒng)原理框圖。

    該定位系統(tǒng)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)實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的工作調(diào)度，編寫的定位軟件可實時觀察各個定位節(jié)點和參考節(jié)點的運行情況。
    (2)網(wǎng)關(guān) 該網(wǎng)關(guān)用于組建一個ZigBee WSN網(wǎng)絡(luò)，并充當協(xié)調(diào)器，把定位節(jié)點坐標及外部環(huán)境參數(shù)傳送給主機。
    (3)參考節(jié)點 在網(wǎng)絡(luò)中充當路由器的角色。而且在定位系統(tǒng)中，它由用戶指定固定坐標，并為定位節(jié)點提供該坐標和RSSI平均值。參考節(jié)點(reference node)是一種已知靜態(tài)節(jié)點，其坐標(x，y)是固定的，并且不參與定位計算，可由CC2430或CC2431器件實現(xiàn)。一個定位區(qū)域通常由8個參考節(jié)點組成。系統(tǒng)至少需要3～4個參考節(jié)點才能進行定位。本文采用CC2430作為參考節(jié)點來實現(xiàn)。
    (4)定位節(jié)點 其內(nèi)部具有定位引擎，能夠根據(jù)參考節(jié)點提供的同定坐標和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(jié)點標識號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。本文中核心器件采用CC2431實現(xiàn)。
3．3 定位工作流程
    定位節(jié)點(blind node)是一類可移動的節(jié)點，可在參考節(jié)點包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動。定位節(jié)點接收區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點的RSSI值后，通過定位算法來計算其坐標位置。定位節(jié)點南CC2431器件實現(xiàn)。采用該器件，可實現(xiàn)0．25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度，定位時間小于40μs。圖2是參考節(jié)點工作流程圖，圖3為定位節(jié)點工作流程圖。

4 ZigBee定位系統(tǒng)實驗結(jié)果及分析
    實驗區(qū)域描述：本實驗在教學樓五樓實驗室進行：長×寬＝8．13 m×8．10 m，在本次實驗中使用6個參考節(jié)點和1個定位節(jié)點，各參考節(jié)點坐標設(shè)置如圖4所示。參考節(jié)點旁邊的數(shù)字為節(jié)點編號，6個參考節(jié)點(黑色的為參考節(jié)點)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為本次實驗所測的數(shù)據(jù)，(x，y)為定位節(jié)點的實際所處位置的坐標，(x1，y1)為上位機GUI軟件所測的定位節(jié)點坐標數(shù)據(jù)。一共測得21組數(shù)據(jù)，如表1所示。

    以上所測得的數(shù)據(jù)除個別誤差較大外，如第11，14，16，17組數(shù)據(jù)；其他的都比較接近節(jié)點的真實位置。誤差的來源較多，比如定位節(jié)點靠近墻壁時誤差會比較大，定位節(jié)點天線的朝向?qū)φ`差的大小也有較大影響。
    圖5是根據(jù)相關(guān)通信協(xié)議編寫的上位機無線定位軟件ZWS_lum的界面，黑色的點代表參考節(jié)點，白色的點代表定位節(jié)點。當定位節(jié)點靠近或遠離參考節(jié)點時，在程序中可以清楚的看到相應(yīng)的定位效果。

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

5 結(jié)束語
    CC2430／2431是一款針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee／IEEE802．15．4的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，其硬件定位引擎具有硬件設(shè)備要求低、定位精度高的特點，很好地滿足了市場需求。采用該方式組網(wǎng)建立室內(nèi)定位系統(tǒng)可達到1～2 m之內(nèi)的定位精度。通過合理布設(shè)參考節(jié)點，該系統(tǒng)可應(yīng)用在樓內(nèi)、地下、隧道等場，所實現(xiàn)高精度室內(nèi)定位，因此，可以預見，基于ZigBee的無線定位技術(shù)在未來將會有很好的發(fā)展及應(yīng)用。