一種便攜式無線搜救定位系統(tǒng)設計方案

摘 要： 提出了一種基于CC2430 的便攜式無線搜救器的設計方法。該設計方法根據佩戴在遇難人員身上的CC2430 射頻卡發(fā)往搜救器的無線數(shù)據幀所含的RSSI 值，通過數(shù)學轉換為遇難人員與搜救器之間的距離，從而判斷出兩者之間的距離以及遇難者所處的位置，并且運用調度算法優(yōu)化了通信，增加了在通信繁忙時的數(shù)據傳輸?shù)姆€(wěn)定。實驗證明，該設計方法具有良好的精度和靈敏度，滿足實際應用的要求。

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

　　1 無線搜救器原理

　　無線搜救器系統(tǒng)的主要工作原理是在802.15.14/Zigbee 網絡中被稱為終端的射頻卡（佩戴在遇難人員身上）以一個固定的時間頻率往協(xié)調器（手持搜救器）發(fā)送數(shù)據幀，在該數(shù)據幀中包括一個接收信號強度值（RSSI），信號強度的衰減和距離成指數(shù)衰減的關系，兩者之間的關系為：

　　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，根據實驗數(shù)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）式進行等價變換，可得：

　　然后根據d 的變化便可以動態(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(tǒng)總體設計

　　整個無線搜救器包括兩部分，一個是射頻卡終端，平常工作時做為人員考勤卡使用，災難發(fā)生時，具有定位遇難者位置的功能，主要芯片是CC2430.無線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)來的數(shù)據并進行定位處理。

　　2.1 無線射頻終端

　　射頻卡終端選用TI 公司的CC2430 做為無線射頻芯片，該芯片是Chipcon 公司生產的首款符合802.15.14/Zigbee 技術的射頻系統(tǒng)單芯片。適用于各種ZigBee 或類似ZigBee 的無線網絡節(jié)點，包括調諧器、路由器和終端設備。其具有非常顯著的低成本、低耗電、網絡節(jié)點多、傳輸距離遠等優(yōu)勢，具有以下主要特點：集成符合IEEE802.15.4 標準的RF 無線電收發(fā)機；優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；硬件支持CSMA/CA 功能；數(shù)字化的RSSI/LQI 支持。

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

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 PCB 微波傳輸線組成，整個結構滿足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 主要用來為32 MHz的晶振提供一個合適的工作電流。用1 個 32 MHz 的石英諧振器（XTAL1）和2 個電容（C191 和C211）構成一個32MHz 的晶振電路。用1 個32.768 kHz 的石英諧振器（XTAL2）和2 個電容（C441 和C431）構成一個32.768 kHz 的晶振電路。電壓調節(jié)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，用來電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。

2.2 無線搜救器

　　無線搜救器由控制模塊、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)送過來的數(shù)據并對其進行處理，提供實時時鐘及看門狗的功能。通過指示燈和蜂鳴器對搜救工作的狀態(tài)進行指示。接收模塊由CC2430 構成，主要負責接收無線射頻終端的數(shù)據，802.15.14/Zigbee 協(xié)議處理以及執(zhí)行BI 和SI 的動態(tài)調度算法。存儲模塊存儲各種與應用相關的數(shù)據，主要通過外部的RAM 和ROM擴展來實現(xiàn)。電源模塊為盡量減少系統(tǒng)的功耗滿足電池供電的要求，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 顯示模塊實時的將遇難者總數(shù)，遇難者與搜救器之間的距離，遇難者的個人信息如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(tǒng)軟件實現(xiàn)

　　無線搜救器系統(tǒng)分為無線搜救器和人員終端射頻卡兩部分，終端無線搜救器做為網絡中的協(xié)調器，負責建立一個信標使能的網絡，并允許有加入請求的終端射頻卡加入到網絡中來，當加入成功后，便可進行數(shù)據的傳送，軟件流程圖如圖3 所示。終端射頻卡在無災難發(fā)生時作為考情卡使用，當災難發(fā)生時則作為定位卡使用，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 的動態(tài)設定調度算法

　　無線搜救器在搜尋遇難者的時候需要收集大量的RSSI 值來進行定位，這就意味著網絡的通信非常繁忙。

　　一般的網絡對于信標間隔（BI）和超幀活動區(qū)間（SD）都是設定為定值的，但是在通信繁忙的時候協(xié)調器或路由器就有可能因為其傳輸?shù)臄?shù)據量大，而其超幀活動區(qū)間又比較小，有可能引發(fā)數(shù)據包丟失等情況，從而成為網絡數(shù)據傳輸?shù)钠款i。本系統(tǒng)從實際實驗出發(fā)，采取了一種動態(tài)設定BI 和SI 的方法，流程如圖5 所示。

圖5 算法流程圖

　　3 實驗結果分析

　　在Zigbee 網絡的幾種拓撲結構中，簇-樹狀拓撲具有建網迅速，節(jié)點加入網絡成功率高以級路由途徑多等特點，并且具有網絡自愈功能，且因路由器具有數(shù)據轉發(fā)能力，可實現(xiàn)更大數(shù)據量的傳輸，所以在實驗中，我們將射頻卡的類型全部設置為路由器，拓撲結構為簇-樹狀拓撲。通過Packet Sniffer CC2430IEEE802.15.14 軟件跟蹤的數(shù)據幀中每幀字節(jié)數(shù)計算出在每個超幀活動區(qū)間內終端傳輸?shù)臄?shù)據量，下面是BO 和SO 為定值與動態(tài)設定BO 和SO 值兩種情況下的數(shù)據傳輸量的對比：

表1 傳輸數(shù)據對比表

　　由表1 可知，在動態(tài)設定BO 和SO 值時，可顯著增大傳輸數(shù)量，從而大大增加定位時的精度和搜救器的靈敏度。

　　在采取動態(tài)設定BO,SO 值方法時，對無線搜救系統(tǒng)的精度和靈敏度進行實驗可得：當無線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，此時定位誤差在3 米以內，隨著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米以內，考慮到這是在實驗狀態(tài)下得出的結論，在實際應用中因各種環(huán)境的干擾，靈敏度與定位精度都會有所下降，但是一般礦山中的甬道的長度大部分都是在10 多米左右，定位誤差在0.7 米左右。綜合以上實驗數(shù)據，該無線搜救器系統(tǒng)是可以滿足實際工程當中的應用的。

　　4 結語

　　通過采集各個射頻終端卡的RSSI 值，實現(xiàn)了定位和搜救功能，并利用動態(tài)設置BO,SO 的方法，創(chuàng)新性的運用到無線搜救領域，最優(yōu)化了信標間隔，解決了數(shù)據傳輸瓶頸的問題，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(jié)點穿透能力還需要做進一步的完善和研究。