基于CC2431的無線定位技術研究

　引言

　　GPS等衛星導航定位技術廣泛應用于各種領域。然而在室內、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商業標準的逐漸完善，無線傳感器網絡(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(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，RSSI功能降低網絡流量與通信延遲，在典型應用中可實現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無線定位系統的構成、定位原理，并實現了基于CC2431無線定位系統的設計。

　　2CC2431簡介

　　CC2431以強大的IAR集成開發環境為支持，結合Zig-Bee協議棧、工具包和參考設計，展示領先的ZigBee解決方案，其產品廣泛應用于汽車、工控系統和無線傳感器網絡等領域，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．根據接收信號強度與已知參考節點位置準確計算出有關節點位置。然后將位置信息發送至接收端。

　　3基于CC2431定位原理及實現

　　3．1RSSI定位技術

　　RSSI是指節點接收到的無線信號強度大小。在基于RSSI的定位中，已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗。利用理論和經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。該技術在實驗室環境中表現出良好特性，但由于環境因素變化等原因．實際應用中還需進一步改進。

　　3．2基于CC2431的定位系統

　　定位系統由參考節點和定位節點組成。參考節點是一個位于已知位置的靜態節點，該節點確知自身的位置并可將其位置通過發送數據包通知其他參考節點(采用CC2430)。定位節點從參考節點處接收數據包信號，獲得參考節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。

　　由參考節點發送給定位節點的數據包至少包含參考節點的坐標參數水平位置X和垂直位置Y。而RSSI值可由接收節點計算獲得。圖1為具體定位系統原理框圖。

　　該定位系統原理框圖中各部分的作用如下：

　　(1)主機采用一臺普通的PC，主機連接網關實現對整個網絡的工作調度，編寫的定位軟件可實時觀察各個定位節點和參考節點的運行情況。

　　(2)網關該網關用于組建一個ZigBeeWSN網絡，并充當協調器，把定位節點坐標及外部環境參數傳送給主機。

　　(3)參考節點在網絡中充當路由器的角色。而且在定位系統中，它由用戶指定固定坐標，并為定位節點提供該坐標和RSSI平均值。參考節點(referencenode)是一種已知靜態節點，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。一個定位區域通常由8個參考節點組成。系統至少需要3～4個參考節點才能進行定位。本文采用CC2430作為參考節點來實現。

　　(4)定位節點其內部具有定位引擎，能夠根據參考節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)，并把該坐標協同定位節點標識號發送給網關。本文中核心器件采用CC2431實現。

　　3．3定位工作流程

　　定位節點(blindnode)是一類可移動的節點，可在參考節點包圍的區域內任意移動。定位節點接收區域內所有參考節點的RSSI值后，通過定位算法來計算其坐標位置。定位節點南CC2431器件實現。采用該器件，可實現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是參考節點工作流程圖，圖3為定位節點工作流程圖。

　　4ZigBee定位系統實驗結果及分析

實驗區域描述：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個參考節點和1個定位節點，各參考節點坐標設置如圖4所示。參考節點旁邊的數字為節點編號，6個參考節點(黑色的為參考節點)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據，(x，y)為定位節點的實際所處位置的坐標，(x1，y1)為上位機GUI軟件所測的定位節點坐標數據。一共測得21組數據，如表1所示。

　　以上所測得的數據除個別誤差較大外，如第11，14，16，17組數據；其他的都比較接近節點的真實位置。誤差的來源較多，比如定位節點靠近墻壁時誤差會比較大，定位節點天線的朝向對誤差的大小也有較大影響。

　　圖5是根據相關通信協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點，白色的點代表定位節點。當定位節點靠近或遠離參考節點時，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信息，而且還可以：對于參考節點，顯示其X、Y坐標，并可以修改在平面區域的X、Y坐標，然后刷新到該拓撲圖上，這樣可以根據實際定位區域的需要來布置參考節點；對于定位節點，可以顯示其在平面區域的實時位置信息，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點配置參數信息。

　　5結束語

　　CC2430／2431是一款針對無線傳感器網絡ZigBee／IEEE802．15．4的片上系統(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。采用該方式組網建立室內定位系統可達到1～2m之內的定位精度。通過合理布設參考節點，該系統可應用在樓內、地下、隧道等場，所實現高精度室內定位，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展及應用。