基于無線ZigBee技術(shù)的區(qū)域精確定位

楊柳松潘洪雨盧曉琳韋玉瓊張勁松

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

基于無線ZigBee技術(shù)的區(qū)域精確定位

楊柳松潘洪雨盧曉琳韋玉瓊張勁松

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

摘要：人們對于在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中所關(guān)心的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控和定位的需求與日俱增，如工廠、倉儲、地下停車場等，常需要確定相關(guān)人員及重要設(shè)施在室內(nèi)的位置信息。所以制定出一套定位精度高、成本低廉、實(shí)現(xiàn)簡單且魯棒性好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位系統(tǒng)是本文研究的重點(diǎn)。本文以CC2431無線定位引擎為定位核心，搭建了基于ZigBee技術(shù)的區(qū)域定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)滿足低成本、低功耗的要求，可以實(shí)現(xiàn)精確的區(qū)域定位。

ZigBee技術(shù)；精確定位；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前GPS是比較成熟的室外定位技術(shù)。然而在區(qū)域環(huán)境下，GPS信號遇到障礙物時(shí)信號大大衰減，定位精度急劇下降，且其功耗大。因此制定出一套成本低廉、定位精度高、實(shí)現(xiàn)簡單且穩(wěn)健性好、安全可靠、算法復(fù)雜度低的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域定位系統(tǒng)是本文的研究重點(diǎn)。ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)傳輸率、短距離的無線通信技術(shù)，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能夠?qū)崿F(xiàn)精確地區(qū)域定位，若目標(biāo)脫離該區(qū)域則報(bào)警提示。

1.系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是ZigBee室內(nèi)定位方法。ZigBee區(qū)域定位系統(tǒng)是一個(gè)可視化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，此定位系統(tǒng)包括ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與定位監(jiān)控部分。對于定位監(jiān)控部分，終端PC機(jī)是其的重要組成部分。首先，此PC機(jī)上應(yīng)該裝有能夠查看實(shí)時(shí)定位的監(jiān)控軟件，之后，此終端PC機(jī)需要使用USB轉(zhuǎn)串口線與該傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)部分進(jìn)行連接，相關(guān)用戶能夠使用這個(gè)軟件對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置與管理，對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，也可通過此軟件來得到。如果用戶需要相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，可以通過此監(jiān)控軟件形象化的交互界面，方便的得到其坐標(biāo)。ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)等3種類型的節(jié)點(diǎn)組成了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中，參考節(jié)點(diǎn)是坐標(biāo)確定的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，本網(wǎng)絡(luò)中選擇以CC2430為主芯片的模塊，盲節(jié)點(diǎn)是能夠隨意挪動的一種節(jié)點(diǎn)，是未定位的節(jié)點(diǎn)，本網(wǎng)絡(luò)中使用的是CC2431模塊。盲節(jié)點(diǎn)通過與參考節(jié)點(diǎn)之間通信的方式來接收各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，盲節(jié)點(diǎn)從參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包中即可得到各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。CC2431模塊自帶的定位引擎部分通過計(jì)算得到的盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，參考節(jié)點(diǎn)與盲節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息傳遞到Zigbee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口線傳送到上位機(jī)，最后由定位監(jiān)控軟件給用戶展現(xiàn)出來，若目標(biāo)脫離該區(qū)域則報(bào)警提示。這便是本定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。圖1所示為本系統(tǒng)總體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖中1、2、3、4為CC2430芯片；5為CC2431芯片；6、10、11、12、13為靜態(tài)節(jié)點(diǎn)（參考點(diǎn)）；14為盲節(jié)點(diǎn)；7為網(wǎng)關(guān)；8為終端PC機(jī)；9為手機(jī)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.硬件系統(tǒng)

2.1 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

ZigBee無線定位網(wǎng)絡(luò)有3種類型的節(jié)點(diǎn)，分別是ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（I，0cation Dongle）、參考節(jié)點(diǎn)（Reference Nodes）和盲節(jié)點(diǎn)（Blind Nodes）。

2.2 CC2430／CC2431芯片

CC2430模塊與CC2431模塊在外觀上是沒有任何差異的，兩種模塊都可以用作路由器、協(xié)調(diào)器或終端節(jié)點(diǎn)。在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，CC2431模塊具有自帶的定位引擎部分，是具有定位功能的。因此CC2431模塊不僅可以作為網(wǎng)關(guān)和參考節(jié)點(diǎn)，還可以作為盲節(jié)點(diǎn)使用。而CC2430模塊沒有定位引擎部分，所以CC2430模塊僅能夠用來作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)使用。

2.2.1 CC2431定位原理

CC2431模塊的定位引擎是基于RSSI技術(shù)。在Zigbee無線定位系統(tǒng)中，參考節(jié)點(diǎn)是已知自身坐標(biāo)值的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，此類節(jié)點(diǎn)已知自己的坐標(biāo)值，且可將其坐標(biāo)經(jīng)由發(fā)送的數(shù)據(jù)包告知周圍的節(jié)點(diǎn)。而盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)不是已知的，它會從參考節(jié)點(diǎn)處接收相關(guān)的數(shù)據(jù)包，從而獲得周圍參考節(jié)點(diǎn)的位置信息及相應(yīng)的RSSI值。之后將這些信息均送入定位引擎，便可得到通過定位引擎計(jì)算的盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。這個(gè)過程中，從參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出，到盲節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包至少應(yīng)該包括參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（水平位置參數(shù)X和豎直位置參數(shù)Y），而RSSI值可由接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算獲得。

3.軟件系統(tǒng)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件部分由上位機(jī)的軟件部分和下位機(jī)的軟件部分組成。本定位系統(tǒng)在研制開發(fā)過程中，應(yīng)用的定位監(jiān)視軟件是Z. Location Engine，該軟件用來給PC機(jī)調(diào)試。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有多種類型，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能也不盡相同。所以下位機(jī)軟件的編寫要大大地難于上位機(jī)軟件的編寫，它一般使用嵌入式軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用了嵌入式的集成開發(fā)環(huán)境IAR EW8051對下位機(jī)的軟件部分進(jìn)行開發(fā)編寫。

3.1 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在前期研發(fā)驗(yàn)證階段，使用6個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，1個(gè)盲節(jié)點(diǎn)。

首先，定位操作應(yīng)該使用“最優(yōu)”參考節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)使用具有的6個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。五邊形區(qū)域a，b，c，d，e，f處各放置一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，五邊形每個(gè)角為參考節(jié)點(diǎn)，盲節(jié)點(diǎn)在五邊形內(nèi)部。首先，找到周圍一個(gè)具有最高RSSI值的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算一個(gè)補(bǔ)償值，讓其“移動”到五邊形范圍的中心。因?yàn)檫@個(gè)節(jié)點(diǎn)的RSSI值是已經(jīng)知曉的，便可很容易得到與這個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離。然后，找到周圍除了“最強(qiáng)”節(jié)點(diǎn)之外的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。用剛才所得到的補(bǔ)償值對各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修正。之后，將所有節(jié)點(diǎn)的信息傳送到定位引擎，并得到最后的坐標(biāo)信息。最后，在計(jì)算過程中加入補(bǔ)償值。完成這些計(jì)算之后，盲節(jié)點(diǎn)在全局網(wǎng)格中的位置就確定了。

表1　定位實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果圖

結(jié)語

本系統(tǒng)使用CC2431模塊和CC2430模塊，設(shè)計(jì)并搭建了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位系統(tǒng)。第一步，確定參考節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，對參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試分析，初步驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性。第二步，在參考節(jié)點(diǎn)圍成的定位區(qū)域中尋找到盲節(jié)點(diǎn)，表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功。通過以上的定位實(shí)驗(yàn)，經(jīng)測量得到帶有定位引擎的CC2431模塊可以實(shí)現(xiàn)1.5m左右的定位精度。本系統(tǒng)能夠滿足低功耗、低成本的要求，僅用兩節(jié)電池便可使CC2430/31模塊工作半年左右。由于時(shí)間和筆者技術(shù)水平等主客觀因素的限制，本課題在取得階段性成果的同時(shí)，依然有些問題需要深入研究，例如：對硬件平臺進(jìn)行改進(jìn)，在節(jié)點(diǎn)中增加功率放大器，提高無線節(jié)點(diǎn)通信距離等。

[1]賀茂平.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué)，2012.

[2] Instruments T. CC2431 system-on-chip for 2.4 GHz Zig Bee/IEEE 802. 15. 4 with location engine[EB/OL]. 2007. http://focus. ti. com/docs/prod/folders/print/cc2431. html.

[3]晁楠.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的小車控制[D].西安科技大學(xué)，2009.

[4]劉艷，吳蒙.基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014（4）：181-185.

[5]饒志訓(xùn).基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2014.

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