引言

　　GPS等衛(wèi)星導(dǎo)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IEEE802．15．4商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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／IEEE802．15．4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(qiáng)度指示RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)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(shí)現(xiàn)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(xì)介紹CC2431無線定位系統(tǒng)的構(gòu)成,、定位原理,，并實(shí)現(xiàn)了基于CC2431無線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　2CC2431簡介

　　CC2431以強(qiáng)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(jì)，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2．4GHz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(qiáng)度與已知參考節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確計(jì)算出有關(guān)節(jié)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(xiàn)

　　3．1RSSI定位技術(shù)

　　RSSI是指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號強(qiáng)度大小,。在基于RSSI的定位中,，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號的強(qiáng)度計(jì)算出信號的傳播損耗,。利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離．并進(jìn)一步利用三角定位法確定待定位節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步改進(jìn),。

　　3．2基于CC2431的定位系統(tǒng)

　　定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn),，該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)(采用CC2430),。定位節(jié)點(diǎn)從參考節(jié)點(diǎn)處接收數(shù)據(jù)包信號，獲得參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)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(jì)算得到的自身位置,。

　　由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送給定位節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)水平位置X和垂直位置Y。而RSSI值可由接收節(jié)點(diǎn)計(jì)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(jī)采用一臺普通的PC,，主機(jī)連接網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的工作調(diào)度，編寫的定位軟件可實(shí)時觀察各個定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況,。

　　(2)網(wǎng)關(guān)該網(wǎng)關(guān)用于組建一個ZigBeeWSN網(wǎng)絡(luò),，并充當(dāng)協(xié)調(diào)器，把定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及外部環(huán)境參數(shù)傳送給主機(jī),。

　　(3)參考節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)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(biāo),，并為定位節(jié)點(diǎn)提供該坐標(biāo)和RSSI平均值,。參考節(jié)點(diǎn)(referencenode)是一種已知靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)(x,，y)是固定的,，并且不參與定位計(jì)算，可由CC2430或CC2431器件實(shí)現(xiàn),。一個定位區(qū)域通常由8個參考節(jié)點(diǎn)組成,。系統(tǒng)至少需要3～4個參考節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行定位。本文采用CC2430作為參考節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn),。

　　(4)定位節(jié)點(diǎn)其內(nèi)部具有定位引擎,，能夠根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)提供的同定坐標(biāo)和RSSI平均值計(jì)算出自身的精確位置(坐標(biāo))，并把該坐標(biāo)協(xié)同定位節(jié)點(diǎn)標(biāo)識號發(fā)送給網(wǎng)關(guān),。本文中核心器件采用CC2431實(shí)現(xiàn),。

　　3．3定位工作流程

　　定位節(jié)點(diǎn)(blindnode)是一類可移動的節(jié)點(diǎn)，可在參考節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動,。定位節(jié)點(diǎn)接收區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值后,，通過定位算法來計(jì)算其坐標(biāo)位置。定位節(jié)點(diǎn)南CC2431器件實(shí)現(xiàn),。采用該器件,，可實(shí)現(xiàn)0．25m的定位分辨率和3m左右的定位精度，定位時間小于40μs,。圖2是參考節(jié)點(diǎn)工作流程圖,，圖3為定位節(jié)點(diǎn)工作流程圖。

　　4ZigBee定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

 　　實(shí)驗(yàn)區(qū)域描述：本實(shí)驗(yàn)在教學(xué)樓五樓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行：長×寬＝8．13m×8．10m,，在本次實(shí)驗(yàn)中使用6個參考節(jié)點(diǎn)和1個定位節(jié)點(diǎn)，各參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置如圖4所示,。參考節(jié)點(diǎn)旁邊的數(shù)字為節(jié)點(diǎn)編號,，6個參考節(jié)點(diǎn)(黑色的為參考節(jié)點(diǎn))坐標(biāo)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(yàn)所測的數(shù)據(jù),，(x，y)為定位節(jié)點(diǎn)的實(shí)際所處位置的坐標(biāo),，(x1,，y1)為上位機(jī)GUI軟件所測的定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)的真實(shí)位置,。誤差的來源較多，比如定位節(jié)點(diǎn)靠近墻壁時誤差會比較大,，定位節(jié)點(diǎn)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(jī)無線定位軟件ZWS_lum的界面，黑色的點(diǎn)代表參考節(jié)點(diǎn),，白色的點(diǎn)代表定位節(jié)點(diǎn),。當(dāng)定位節(jié)點(diǎn)靠近或遠(yuǎn)離參考節(jié)點(diǎn)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(shí)際的組網(wǎng)信息,，而且還可以：對于參考節(jié)點(diǎn)，顯示其X,、Y坐標(biāo),，并可以修改在平面區(qū)域的X、Y坐標(biāo),，然后刷新到該拓?fù)鋱D上,，這樣可以根據(jù)實(shí)際定位區(qū)域的需要來布置參考節(jié)點(diǎn)；對于定位節(jié)點(diǎn),，可以顯示其在平面區(qū)域的實(shí)時位置信息,，表1中的坐標(biāo)(x1,y1)信息就是通過該軟件獲取得到的,。該信息每隔5s更新一次，另外還可以通過該界面查看定位節(jié)點(diǎn)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(diǎn),，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(dá)到1～2m之內(nèi)的定位精度。通過合理布設(shè)參考節(jié)點(diǎn),，該系統(tǒng)可應(yīng)用在樓內(nèi),、地下、隧道等場,，所實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位,，因此，可以預(yù)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,。