基于物聯網的無線實時定位系統的設計與實現

杜遠坤　王磊

摘 要： 為了達到解決無線實時定位的研究目的，引入ZigBee和CC2530芯片技術，利用RSSI測距研究方法分析了接收信號強度與信號傳輸距離的關系，并結合三邊定位算法，在上位機定位軟件上進行仿真實驗，通過設置參考節點坐標，可在調試信息框中得到移動節點的測距、定位等過程性實驗結果。通過多次仿真實驗模擬，得到了該方法能通過追蹤移動節點坐標，較為有效地實現參考節點與移動節點之間的信號強度測量與實時定位等結論。該文創新點是系統運用先進的微功耗技術與RSSI測距技術，內嵌集成獨有的實時定位算法，采用高增益、抗干擾射頻電路設計而成，可連續上電運行，能較好地滿足室內環境實時定位的功能要求。

關鍵詞： ZigBee； CC2530； RSSI； 三邊定位算法

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0079?04

Design and implementation of wireless real?time positioning system based on

Internet of Things

DU Yuankun1， WANG Lei2

（1. Department of Information Engineering， Zhengzhou College of Science & Technology， Zhengzhou 450064， China；

2. Department of Basic， Zhengzhou College of Science & Technology， Zhengzhou 450064， China）

Abstract： To achieve the purpose of wireless real?time positioning， ZigBee and CC2530 technologies are introduced in the system design. the relation between received signal strength and signal transmission distance is analyzed by using the RSSI range finding technology. With the help of trilateral positioning algorithm， the simulation experiments were carried out on positioning software in upper computer. By setting reference node coordinate， some experimental results， such as the mobile node′s range finding and positioning， can be obtained in debugging information box. After some experiments， the conclusion that this method can effectively realize the signal strength detection and real?time positioning between reference node and mobile node was obtained by tracing the mobile node coordinate. The innovation point of this paper is that this system can power?on operation continuously and satisfy the functional requirements of real?time location in indoor environment by utilizing the advanced micro?power consumption technology and RSSI range finding technology， real?time positioning algorithm particular in embedded integration， high gain and anti?interference radio?frequency circuit design.

Keywords： ZigBee； CC2530； RSSI； trilateral positioning algorithm

隨著無線傳感器網絡技術和移動通信技術的發展，區域監控和人員跟蹤定位等無線傳感器領域的應用，室內環境下的人員跟蹤定位成為一個非常熱門的研究領域。本文闡述了基于ZigBee無線技術的CC2530實時定位設計。該設計實現了人員室內的實時定位。

1 ZigBee和CC2530技術

ZigBee是近距離、低功耗、低成本、低數據速率、低復雜度、自組織的技術標準，其是按照IEEE 802.15.4標準開發研制的安全、有關組網和應用軟件的標準。ZigBee的特性決定它是無線傳感網的最佳選擇，其廣泛使用定位、物聯網和自動控制等領域。CC2530的內核是由51單片機集成，具有04/06/07/PRO協議棧的原理圖、開發模板和源碼程序。通過電腦和USB的連接，具有在線調試，寄存器觀察和代碼下載等功能，實現對單片機CC2530實時在線調試和仿真。

2 系統工作原理

本定位系統設定一個移動節點（Mobile Tag）、4個固定參考節點（Reference Tag）和1個網關節點（Reader），在工作時讓節點同處一場景中。射頻信號由參考節點不斷對外發射；射頻信號由移動節點接收，通過檢測參考節點和移動節點之間的信號強度，將檢測的信號強度數據包傳給網關；網關和上位機相連，并運行上位機定位軟件，即可顯示相對參考節點的移動節點坐標及具體位置，從而實現實時定位的功能。

3 RSSI測距技術

在上述工作原理中，移動節點要檢測參考節點之間通信的接收信號強度，通過接收信號強度（RSSI）測出移動節點相對參考節點的位置，因此需測距算法，下面是測距算法的介紹。

測距是定位的基礎。要獲取大于等于3個參考節點的距離，移動節點的位置才能確定。本文使用信號強度（RSSI）測量距離。

利用信號強度測距，選用下面模型[1] ：

[RSSI=A+10nlg d-EAF] （1）

式中：RSSI是接收信號強度；A是在1 m處發射節點接收到的信號強度；n是與環境有關的信號傳輸常數；d是發射節點距離[2]。RSSI 距離曲線通過射頻參數A和信號傳輸常數n建立場景模型實現具有明確的應用場景。EAF（dBm）表示環境影響系數，它的值由室內環境決定，是靠大量的數據分析出的經驗值。EAF（dBm）是一個隨機變化的值，但從使用的角度出發，將其設定為固定值。經過大量驗證環境下測得的RSSI值和在理想狀態下測的RSSI值，得到試驗環境EAF的值大概是11.9 dBm，A的值為45，n的值為3.5。EAF（dBm）、A及n的值確定后，對RSSI值進行分析采樣，使用最小二乘法對采樣值進行整合，如圖1所示。

由圖1可以看出，曲線的變化趨勢會受到環境的影響，但是信號傳輸的距離和接收信號的強度存在一定的變化關系，隨著信號傳輸距離的增長信號強度出現明顯減弱的趨勢，然而曲線不是平滑的。因此通過RSSI方法定位時，有一定的誤差；距離和接收信號強度之間近似成反比，傳輸距離大約20 m時，信號強度受距離的影響出現平緩趨勢。因此，使用RSSI測距時，傳輸距離和誤差近似成正比[3]。

4 三邊定位算法

上述對RSSI測距算法的原理和實際中的應用做了深入探討，在實際應用中，要根據RSSI測距算法結合定位算法來實現定位。本系統使用的定位算法是三邊測量[4]，三邊定位原理如圖2所示。三邊測量定位法的基本工作原理是3個坐標節點A，B，C，通過將傳感器節點測得的信號功率值轉換為距離作為圓的半徑，圖2中分別用r1，r2和r3表示，最后求出3個圓的交點作為未知節點的坐標。

已知三個參考節點的坐標分別為A（x1，y1），B（x2，y2），C（x3，y3），它們到未知D（x，y）點的距離分別為AD（r1），BD（r2），CD（r3）， 則建立方程如下[5]：

[（x-x1）2+（y-y1）2=r21（x-x2）2+（y-y2）2=r22（x-x3）2+（y-y3）2=r23] （2）

從式（2）中，可解得D點的值。

但在實際測距過程中，因為有誤差存在，三個圓常常不能相交一點，假如節點的移動活動范圍在參考節點區域內，則會出現4種可能，如圖3所示。

實際應用時，先要判斷三個圓有幾個圓相交，判斷兩個圓相交方法是把三個圓對應的方程兩兩結合，計算是否有解：

[（x-x1）2+（y-y1）2=r12（x-x2）2+（y-y2）2=r22] （3）

[（x-x1）2+（y-y1）2=r12（x-x3）2+（y-y3）2=r32] （4）

[（x-x2）2+（y-y2）2=r22（x-x3）2+（y-y3）2=r32] （5）

若式（3）有解（x12，y12），（x21，y21），判斷這兩點到點（x3，y3）的距離誰最近，選兩點離點（x3，y3）最近的點為D；若式（4）有解（x13，y13），（x31，y31），判斷其兩點誰到點（x2，y2）距離較近，選取近點為F；若式（5）有解（x23，y23），（x32，y32），則判斷兩點誰到點（x1，y1）的距離較近，選較近點為E，△DEF的重心就是移動節點的定位的位置。 若式（3）沒有解，將兩個圓的圓心相連，連線和兩個圓相交兩點，兩點形成線段的中點為D點；如果式（4）和式（5）也沒有解，可使用同樣方法來獲得E點和F點的值。從而，不管兩圓是否相交，都可計算出D，E，F三個點，三點組成三角形的重心就是移動節點的坐標[4]。

5 定位系統流程圖

系統工作流程是從通信網絡的信號傳輸流程到計算機接收到信號強度的相關信息之后進行測算的流程。系統的通信網絡信號傳輸流程如圖4所示[2]。

在定位系統的通信過程中，移動節點向參考節點發送信號，參考節點接收到信號后，求出信號強度在一段時間的平均值，然后回發給移動節點，移動節點再把收到的平均值信號發送給網關，網關再發送給計算機。計算機的測算流程[5]如圖5所示。

在實際的算法中，選了4個參考節點，這樣選擇是折中了計算復雜程度和定位精度。這考慮到如選取N個參考節點，需要的三邊算法次數為[C3N]，如果取5個參考節點時就需要測量10次，還要獲得移動節點的10個可能坐標，還需要計算這10個移動節點的重心，增加很多計算次數，但是在實際的定位中，增加一個參考節點，定位精度提升的性價比不高[6?7]。

6 系統設計與測試

系統設計主要包含三個部分：仿真器連接與仿真器驅動安裝、參考節點移動與節點硬件設計和上位機軟件的設計。

6.1 仿真器連接與仿真器驅動安裝

本系統使用的CC Debugger仿真器，此仿真器集成編碼仿真調試、編程于一身的產品，通過USB接口連接電腦，連接到CC2530無線單片機，USB供電，即插即用。

仿真器通過編程線與開發板相連接，通過一根方口USB連接線與計算機相連。使用步驟如下：

（1） 用10芯JTAG線將仿真器與目標板相連接。

（2） 用方口USB連接線（一頭長方口，一頭方口的 USB連接線）把仿真器與PC連接好。

（3） 此時，電腦就會顯示發現新硬件，安裝好驅動。

（4） 安裝好驅動后，仿真器就可以正常使用了。

6.2 參考節點和移動節點設計

參考節點與移動節點硬件完全一致，差別在于所燒寫的軟件固件程序。參考節點與移動節點采用2.4 GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee的片上系統解決方案，節點模塊可獨立上電使用[8]；采用CC2530?F256片上系統并結合TI公司的ZigBee兼容協議棧Z?Stack[9]；完全滿足ZigBee 2007/PRO技術標準的無線自組網技術設計開發要求，支持ZigBee 2007/PRO網狀網絡技術開發與應用[10?11]。

6.3 上位機軟件設計

Visual Basic 6.0中文版完成上位機定位軟件的開發。下面是定位的核心代碼[12]：

Private Sub MnuStartLoc_Click（）

If Datalist.FindItem（CurrentT） Is Nothing Then

Datalist.ListItems.Add 1， CurrentT

′Datalist.SelectedItem.Index = Datalist.ListItems.Count

If ObjectP.x = 0 And ObjectP.y = 0 Then

Datalist.ListItems（1）.SubItems（2） = "在固定點" + perceive + "附近"

Else

Datalist.ListItems（1）.SubItems（2） = CStr（ObjectP.x） + "， " + CStr（ObjectP.y）

End If

Datalist.ListItems（1）.SubItems（1） = LocUnitID

Datalist.ListItems（1）.SubItems（3） = Format（Now， "hh：mm：ss"）

Else

If ObjectP.x = 0 And ObjectP.y = 0 Then

Datalist.FindItem（CurrentT）.SubItems（2） = "在固定點" + perceive + "附近"

Else

Datalist.FindItem（CurrentT）.SubItems（2） = CStr（ObjectP.x） + "， " + CStr（ObjectP.y）

End If

Datalist.FindItem（CurrentT）.SubItems（1）= LocUnitID

Datalist.FindItem（CurrentT）.SubItems（3）= Format（Now， "hh：mm：ss"）

End If

′If DrawPoint（CurrentT）.flag = 1 Then

′pic1.ForeColor = pic1.BackColor

′DrawTagPoint DrawPoint（CurrentT）.x， DrawPoint（CurrentT）.y， CurrentT

′DrawPoint（CurrentT）.flag = 0

′End If

For k = 1 To Val（txt_tagnum.Text）

If k <> CurrentT Then

If DrawPoint（k）.flag = 1 And TagDrawTime（k） < 10 Then

DrawTagPoint DrawPoint（k）.x， DrawPoint（k）.y， k

Else

DrawPoint（k）.flag = 0

TagDrawTime（k） = 0

End If

End If

Next k

If ObjectP.flag = 1 Then

DrawTagPoint ObjectP.x， ObjectP.y， CurrentT

DrawPoint（CurrentT） = ObjectP

WriteBuf$ = WriteBuf$ & " （" & Format$（ObjectP.x， "0.0"） & "，" & Format$（ObjectP.y， "0.0"） & "）"

′If （ObjectP.x < X_START） Or （ObjectP.x > X_END） Or （ObjectP.y < Y_START） Or （ObjectP.y > Y_END） Then

′SetWindowScale

′DrawTagPoint ObjectP.x， ObjectP.y

′DrawPoint = ObjectP

′End If

End If

WriteBuf$ = WriteBuf$ & Chr$（13） & Chr$（10）

End Sub

本系統在室內進行實驗，上位機（PC）與網關通過數據線連接后，在上位機軟件界面選擇好COM口號，并建立RS 232串口通信連接。4個參考節點分別擺放在（0，0），（0，4），（4，0），（4，4）位置，打開參考節點電源。在上位機軟件中設置同樣的坐標位置，如圖6所示。打開移動節點電源，3 s后應該出現紅色移動點，顯示出移動節點相對參考節點的位置。同時，移動節點信息列表中顯示當前相關定位信息；調試信息框中則顯示信號強度RSSI檢測以及測距、定位的過程信息，如圖7所示。

7 結 語

為了解決無線實時定位問題，本文引入了ZigBee和CC2530芯片技術，并利用RSSI測距技術分析了接收信號強度與信號傳輸距離的關系。結合RSSI測距技術和三邊定位算法，本文提出了無線實時定位系統的工作原理及測試流程。實驗結果表明，該定位系統能較好地實現移動節點的實時定位。

參考文獻

[1] 石為人，熊志廣，許磊.一種用于室內人員定位的RSSI定位算法[J].計算機工程與應用，2010，46（17）：232?235.

[2] 魏斌，羅旸，虞致國，等.局部無線定位系統中的高精度定位算法研究[J].電子與封裝，2011，11（8）：25?28.

[3] 熊志廣.基于RSSI的無線傳感器網絡定位算法研究及應用[D].重慶：重慶大學，2010：55?56.

[4] 高雷，鄭相全，張鴻.無線傳感器網絡中一種基于三邊測量法和質心算法的節點定位算法[J].重慶工學院學報（自然科學版），2009，23（7）：138?141.

[5] 李文齊，王澤陽，李毅，等.幼兒園基于ZigBee的實時定位及體征監測系統研究[J].中國高新技術企業，2015（31）：17?19.

[6] 呂睿，陽憲恵.減少無線傳感器網絡節點定位誤差的方法[J].清華大學學報（自然科學版），2008，48（z2）：1839?1843.

[7] 王小平，羅軍，沈昌祥.三邊測量法的結果穩定性研究[J].計算機工程與科學，2012，34（6）：12?17.

[8] 王文光，劉士興，謝武軍.無線傳感器網絡概述[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2010，33（9）：1416?1419.

[9] 張志海，沈連豐，葉芝慧，等.一種基于ZigBee的無線傳感器網絡教學實驗系統[J].電氣電子教學學報，2006，28（5）：76?80.

[10] 郭國法，王寧，張開生.基于ZigBee的高速公路限速系統研究[J].微電子學與計算機，2014，31（5）：147?150.

[11] 周莉，安軍社.航天器內無線傳感器網絡網關的設計[J].微電子學與計算機，2013，30（1）：110?113.

[12] 徐磊.基于RFID的監獄管理系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2014：45?46.