無線傳感器網絡的室內定位節點設計※

韓鵬霄，劉繼堯，周東平

（公安部第一研究所，北京 100048）

引 言

公共安全領域內，室內定位技術在羈押場所預警監控、取保候審、監視居住，以及緊急情況救援與救災應急指揮調度等應用中具備良好的應用前景。ZigBee技術是一種基于IEEE 802.15.4標準的低復雜度、低功耗、低成本的無線通信技術，具有自組網、低延遲、可實現128位的AES加密和組網方式靈活等特性，非常適合用于室內定位技術的應用需求。基于ZigBee技術的室內定位系統，具有成本低、節點續航時間長、自組網方便靈活、便于快速部署和安全性較高等優點。

1 基于ZigBee的室內定位節點簡述

基于ZigBee的定位網絡是一個WSN網絡（Wireless Sensor Network，無線傳感器網絡），為定位應用系統提供定位特征信息及節點狀態報警信息，由網絡協調器、參考節點和盲節點組成。定位算法需要至少3個參考節點對1個盲節點進行定位。定位網絡結構圖如圖1所示。

定位網絡中，ZigBee網絡協調器承擔著ZigBee網絡的發起和管理功能。ZigBee網絡協調器匯集定位網絡內所有參考節點產生的定位信息，并將定位信息發送給應用系統。

圖1 基于ZigBee的室內定位網絡結構圖

參考節點固定布置在定位區域范圍內的特定位置上，接收盲節點發送的特征信息數據信號，并提取出該信號的場強特征信息，即RSSI（Received Signal Strength Indica－tion，接收信號強度指示）值。參考節點將其自身的特征信息和盲節點的特征信息數據、RSSI值打包生成定位信息，通過ZigBee網絡發送給ZigBee網絡協調器。參考節點是網絡中的路由節點。

盲節點佩戴或安裝在被定位人員或物品上，周期性地通過ZigBee網絡廣播發送自身的特征信息數據。盲節點是網絡中的終端節點。

參考節點與盲節點使用相同的硬件，通過下載參考節點或是盲節點的應用程序，實現參考節點或盲節點的功能。本文所述定位節點包括參考節點和盲節點。

2 基于ZigBee的室內定位節點硬件設計

基于ZigBee的室內定位節點硬件電路主要由CC2530主控電路、射頻前端電路、電源模塊、加速度傳感器電路等部分組成。

2.1 CC2530主控電路設計

本文選擇TI公司的CC2530為核心來設計節點。CC2530是一款低成本、低功耗、高集成度的ZigBee協議SoC解決方案，工作在2.4GHz ISM頻段。CC2530內部集成有射頻收發器、增強型8051核MCU、豐富的片上存儲器和外圍接口資源，能夠為ZigBee協議棧及應用軟件提供有力的支持。CC2530功耗低，在以1dBm功率發射時，電流消耗為29mA；接收時，電流為24mA。CC2530支持多種低功率工作模式（空閑模式和休眠模式等），休眠模式切換到主動模式的超短時間特性使節能設計更方便，特別適合要求電池壽命長的應用。

節點以CC2530芯片為核心，配合軟件優化，在實現節點功能的同時，能夠有效節省功耗、減少體積和BOM成本。主控電路的原理圖如圖2所示。

2.2 射頻前端電路設計

CC2530是無線SoC設計方案，只需采用較少的外圍電路即可實現基本的信號收發功能。然而，要達到理想的性能，需要設計和優選射頻電路參數，才能夠實現穩定的無線信號傳輸、最大的通信距離和良好的電磁兼容性能。

CC2530的射頻輸出為差分信號，需要經過差分—單端轉換電路，才能與常用的鞭狀或貼片天線連接；另外CC2530射頻輸出端的差分阻抗為（69＋j29）Ω，為實現信號的高效傳輸，需要進行阻抗變換，使射頻收發系統的天線接口端的阻抗等于標準的50Ω。以上兩點功能是射頻前端電路設計的主要任務與設計目標。

差分－單端轉換電路基于TI公司提供的參考設計進行了參數仿真和優化，阻抗匹配網絡根據定位系統需求及節點硬件設計特點重新設計，保證在阻抗匹配、收斂性及電磁兼容性能等方面符合系統要求。

射頻前端電路手冊圖如圖3所示。其中，Term2為50Ω天線接口，Term1與Term3及Balun器件CMP1是模擬CC2530射頻輸出端的虛擬器件。

（1）理論教學合計114學分：包括通識必修課42學分，學科基礎課28.5學分，專業必修課13.5，專業方向課18學分，通識選修課12學分。

在ADS2011環境下對該設計進行S參數仿真及Z參數仿真，仿真結果略——編者注。

仿真結果顯示，匹配網絡正向傳播系數為－0.685 dB，即插入損耗小于0.076；回波損耗為－22.733dB，即小于0.073；輸入阻抗為69.181Ω，輸出阻抗為50.221Ω，匹配網絡較好地達到了設計目標。

2.3 電源模塊設計

節點核心芯片CC2530的工作電壓為2～3.6V，其射頻輸出功率和接收靈敏度受到供電電壓的影響。射頻信號強度信息是定位的關鍵信息，因此，必須保證供電電壓的穩定，才能保證定位信息的準確。同時，參考節電與盲節點根據應用場合不同，將采取普通堿性電池、充電電池、鋰電池、直流電源等多種供電方式，輸入電源電壓范圍較寬。最后，電源模塊需要采用DC－DC轉換的方式，以提高電源轉換效率，延長電池使用時間。

圖2 基于CC2530的主控電路原理圖

圖3 射頻前端電路手冊圖

TI公司的TPS63001為一款升降壓轉化器，輸入電壓范圍為1.8～5.5V，輸出電壓3.3V，最大輸出電流800 mA，采用3mm×3mm微型封裝，效率可高達96%。適用于普通堿性電池、充電電池、鋰電池等多種供電模式，具有適應范圍寬、效率高、體積小等優點，能夠滿足電源設計的需求。電源模塊原理如圖4所示。

圖4 電源模塊原理圖

3 基于ZigBee的室內定位節點軟件設計

3.1 軟件結構

節點的軟件設計基于OSAL操作系統、用戶應用任務（UserApp）和ZigBee設備對象任務（ZDO）一起在OSAL操作系統的調度下運行，其調度機制基于優先級。其中，用戶應用任務優先級最低。節點軟件架構如圖5所示。

圖5 節點軟件架構圖

ZigBee系統任務在TI公司提供的Z－Stack協議棧的基礎上設計實現。ZigBee協議從上到下由應用層APS、網絡層NWK、媒體訪問控制層MAC和物理層PHY組成。應用層的主要功能與定位信息的采集與傳輸密切相關。網絡層的功能包括配置設備、路由發現和維護，確保數據安全、有效地傳輸到目的設備。媒體訪問控制層MAC控制著設備接入無線信道的時間和方法，確保數據鏈的可靠性。物理層PHY主要實現數據的發送和接收，完成信道的評估和射頻信號能量的測量。應用層APS數據從一個ZigBee設備發送到另一個ZigBee設備，是一個層次封裝，然后層次解析的過程。數據傳遞流程如圖6所示。

3.2 ZigBee軟件設計

節點加入ZigBee網絡運行是定位系統運行的基礎，關系到定位數據的可靠性和系統的穩定性。節點上電后，首先進行硬件初始化和網絡初始化。節點加入網絡的過程如下：節點在預先設定的信道上掃描可用的網絡和父節點，并把可以找到的所有父節點的資料存入自己的相鄰表。在相鄰表所有父節點中選擇一個深度最小的，并對其發出入網請求信息。如果發出的請求被批準，父節點會分配給它一個2字節的網絡地址，此時入網成功；如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續發送請求信息，直到加入網絡或相鄰表中都沒有合適的父節點，則入網失敗，中止過程。

圖6 ZigBee通信數據傳遞流程圖

ZigBee節點加入網絡的流程圖如圖7所示。

圖7 ZigBee節點加入網絡流程圖

節點在ZigBee網絡內的數據傳輸是系統定位的關鍵。ZigBee定位網絡存在兩種數據的交互：RSSI特征信息數據和定位信息數據。簇ID是ZigBee協議定義的重要配置信息，用于區分ZigBee網絡傳輸中不同的數據類型。盲節點向參考節點發送自身特征信息數據時采用的簇ID為GETRSSI＿CLU，參考節點向協調器轉發定位信息數據時使用的簇ID為INFO＿CLU。

ZigBee數據的發送通過調用AF＿DataRequest（）函數實現。ZigBee數據的接收由Z－Stack完成，接收數據完成后協議棧觸發SYS＿EVENT＿MSG事件和AF＿INCOMING＿MSG＿CMD消息，OSAL在接收到該事件和消息后，調用用戶應用任務進行后續處理。

3.3 軟件流程

節點加入網絡后，通過應用任務進行程序設計，實現節點特征信息的定時廣播發送、定位信息的生成和發送、路由轉發、節點狀態信息的檢測與報警信息發送等功能。盲節點和參考節點的應用程序流程如圖8所示。

4 測試結果

為驗證節點功能，對本文描述的基于ZigBee的室內定位節點進行了相應的測試。測試環境為室內走廊環境，2個參考節點分別放置在長度為58m的走廊兩端位置，測試者持盲節點在走廊的兩端之間勻速往復走動，實時記錄節點收發數據、報警狀態信息，以及實時跟蹤定位信息隨距離變化的結果，測試結果略——編者注。

為驗證節點的功耗性能，本文對盲節點工作模式和空閑模式的功耗分別進行了測試。盲節點供電電壓為3.3V，正常工作時，以2Hz的頻率更新定位信息數據，平均電流實測為11.3mA；空閑模式實測電流低至1.2mA。節點設計較好地實現了低功耗的設計目標。實驗表明：本文所設計的節點在室內定位系統測試中，能夠滿足定位系統對節點的功能及性能要求。

圖8 節點應用程序流程圖

結 語

本文討論了基于CC2530的室內定位節點的設計與實現，對節點設計中的關鍵技術進行了介紹。經實驗證明，節點具有網絡通信穩定、工作距離遠、功能豐富和功耗低等優點。在開展的基于ZigBee的室內定位系統測試和應用中取得了良好的效果。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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