引言
GPS等衛(wèi)星導航定位技術廣泛應用于各種領域,。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)標準的逐漸完善,，無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)的相關技術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，相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能降低網(wǎng)絡流量與通信延遲,，在典型應用中可實現(xiàn)3～5m的定位精度和0．25m的分辨率,。這里基于RSSI定位技術，詳細介紹CC2431無線定位系統(tǒng)的構成,、定位原理,，并實現(xiàn)了基于CC2431無線定位系統(tǒng)的設計。
2CC2431簡介
CC2431以強大的IAR集成開發(fā)環(huán)境為支持,，結合Zig-Bee協(xié)議棧,、工具包和參考設計，展示領先的ZigBee解決方案,，其產(chǎn)品廣泛應用于汽車,、工控系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡等領域，同時也適用于ZigBee之外的2．4GHz頻率的其他設備,。CC2431的定位引擎基于RSSI技術．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)
3．1RSSI定位技術
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用前景。該技術在實驗室環(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)關實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的工作調(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)關該網(wǎng)關用于組建一個ZigBeeWSN網(wǎng)絡,，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(referencenode)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,。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(blindnode)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)0．25m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)點工作流程圖,，圖3為定位節(jié)點工作流程圖。
4ZigBee定位系統(tǒng)實驗結果及分析
實驗區(qū)域描述：本實驗在教學樓五樓實驗室進行：長×寬＝8．13m×8．10m,，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)點天線的朝向對誤差的大小也有較大影響,。
圖5是根據(jù)相關通信協(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5s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結束語
CC2430／2431是一款針對無線傳感器網(wǎng)絡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1～2m之內(nèi)的定位精度。通過合理布設參考節(jié)點,，該系統(tǒng)可應用在樓內(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的無線定位技術在未來將會有很好的發(fā)展及應用,。