基于ZigBee 的測(cè)距系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳旻哲 鄔洪波 徐靜雅 謝雨婷 熊誠(chéng)

（1、武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072 2、華為技術(shù)有限公司武漢研究所，湖北武漢 430074 3、武漢大學(xué)信息中心，湖北武漢 430072 4、華中師范大學(xué)信息化辦公室，湖北武漢 430079）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的逐步發(fā)展，越來(lái)越多的工程實(shí)際問(wèn)題都需要運(yùn)用到相關(guān)知識(shí)。從近年來(lái)電子信息類學(xué)科競(jìng)賽也可以看出，不僅是相關(guān)技術(shù)更頻繁地出現(xiàn)在賽題之中，而且物聯(lián)網(wǎng)類大賽也越來(lái)越受到師生的重視。因此，在新工科教育的背景下，十分必要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的實(shí)踐訓(xùn)練，與時(shí)俱進(jìn)地提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力[1-3]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee 的測(cè)距系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件制作、節(jié)點(diǎn)間基于ZigBee 的測(cè)距通信交互設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)的嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)、PC 端上位機(jī)實(shí)現(xiàn)等知識(shí)技能，是一個(gè)綜合設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既能鍛煉學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力，也能提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的系統(tǒng)框架如圖1 所示。系統(tǒng)由基于ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和PC 端距離計(jì)算平臺(tái)組成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為基站、移動(dòng)標(biāo)簽和錨節(jié)點(diǎn)三種角色，三者的硬件電路相同，通過(guò)加載不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能。基站首先創(chuàng)建一個(gè)基于ZigBee 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)標(biāo)簽和錨節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)后會(huì)各被分配一個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信的短地址。移動(dòng)標(biāo)簽主動(dòng)向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)起測(cè)距，并根據(jù)信號(hào)發(fā)送和接收時(shí)刻計(jì)算出信號(hào)在兩節(jié)點(diǎn)間的飛行時(shí)間（TOF，Time of Flight），然后將TOF 發(fā)送給基站，基站通過(guò)串口將TOF 發(fā)送給距離計(jì)算平臺(tái)。距離計(jì)算平臺(tái)利用TOF 測(cè)量值計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的距離，并實(shí)時(shí)刷新顯示測(cè)距結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)框架示意圖

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用JN5168-001-M03 模塊進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)，該模塊內(nèi)部是超低功耗的高性能無(wú)線微控制器JN5168。JN5168 自帶了用于TOF 測(cè)距的飛行時(shí)間引擎，通過(guò)較為簡(jiǎn)單的配置和調(diào)用，即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離測(cè)量。節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件框圖

為了方便節(jié)點(diǎn)的攜帶和部署，節(jié)點(diǎn)采用電池供電和USB 供電兩種供電方式，不同角色的節(jié)點(diǎn)可自由選擇合適的供電方式。采用FT232RL 芯片實(shí)現(xiàn)JN5168 微控制器與PC 端的串口通信以及程序下載。在FT_Prog 軟件中修改FT232RL 的EEPROM，將CBUS2 和CBUS3 引腳的功能變成I/O MODE，將JN5168 的RESETN 和SPIMISO 引腳分別接到FT232RL 的CBUS2 和CBUS3 引腳上，RESETN 引腳同時(shí)連接一個(gè)復(fù)位電路，復(fù)位信號(hào)與MISO 信號(hào)協(xié)作能夠使得JN5168 能夠進(jìn)入編程模式，然后PC 端就可以通過(guò)Flash Progtammer 對(duì)JN5168 進(jìn)行程序下載。此外，設(shè)計(jì)了LED 和按鍵方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)交互。節(jié)點(diǎn)的電路實(shí)現(xiàn)采用轉(zhuǎn)接板和底板結(jié)合的模式。在轉(zhuǎn)接板上將JN5168-001-M03 模塊可能被用于其他功能的引腳都引到底板上，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)提供了硬件基礎(chǔ)，同時(shí)轉(zhuǎn)接板的可插拔特性使得JN5168-001-M03 模塊的課堂重復(fù)利用率更高，節(jié)約實(shí)驗(yàn)耗材資源。學(xué)生需要在萬(wàn)用板上實(shí)現(xiàn)底板電路，能夠鍛煉學(xué)生的電子制作和電路實(shí)現(xiàn)能力。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式程序設(shè)計(jì)

嵌入式端的程序設(shè)計(jì)按設(shè)備角色分為三部分[4]。如圖3（a）所示，基站負(fù)責(zé)創(chuàng)建ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和向PC 端轉(zhuǎn)發(fā)距離測(cè)量結(jié)果。如圖3（b）和3（c）所示，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并獲得16位短地址之后，即可開(kāi)始測(cè)距。圖3（b）和3（c）中給出的參考測(cè)距方案是標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求，錨節(jié)點(diǎn)接收到測(cè)距請(qǐng)求后與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)完成測(cè)距交互，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將其與錨節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)飛行時(shí)間測(cè)量值轉(zhuǎn)換成距離測(cè)量值，并將距離測(cè)量結(jié)果發(fā)送給基站。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以參考圖3 中的測(cè)距方案設(shè)計(jì)嵌入式端的程序，也可以從效率和穩(wěn)定性的角度出發(fā)設(shè)計(jì)其他測(cè)距方案。其中具體的基于TOF 的測(cè)距算法，學(xué)生可以選用雙程測(cè)距（Two Way Ranging, TWR）算法、對(duì)稱雙邊雙程測(cè)距（Symmetric Double-Sided Two Way Ranging, SDS-TWR）算法、單邊非對(duì)稱雙程測(cè)距（Single-Sided Asymmetric Two Way Ranging, SSA-TWR）算法[5-6]或者創(chuàng)新性地提出某種優(yōu)化算法，并且在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)并測(cè)試該優(yōu)化算法的性能。

圖3 嵌入式端主程序流程圖

3.2 距離計(jì)算平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

PC 端的距離計(jì)算平臺(tái)的主程序流程圖如圖4 所示。距離計(jì)算平臺(tái)通過(guò)串口成功接收來(lái)自基站的數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)協(xié)議解析數(shù)據(jù)幀，并存儲(chǔ)原始的TOF 測(cè)量值，然后將TOF 測(cè)量值轉(zhuǎn)換成距離測(cè)量值。學(xué)生在搭建起了基于ZigBee 的測(cè)距系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)之后，即可制定測(cè)試方案初步測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)距性能，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中得到大量的測(cè)距數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，選用濾波、曲線擬合等算法[7-8]對(duì)原始距離測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，最終將能夠有效減小測(cè)距誤差的算法反過(guò)來(lái)運(yùn)用到距離計(jì)算平臺(tái)中，使得最終實(shí)時(shí)刷新顯示在UI 上的測(cè)距結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖4 PC 端距離計(jì)算平臺(tái)的主程序流程圖

4 系統(tǒng)方案測(cè)試

為測(cè)試本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案的可行性，在實(shí)驗(yàn)室外的長(zhǎng)走廊上進(jìn)行了測(cè)距實(shí)驗(yàn)。采用定點(diǎn)測(cè)距的方式，將錨節(jié)點(diǎn)的位置固定，用市面上的標(biāo)準(zhǔn)卷尺標(biāo)定出與錨節(jié)點(diǎn)相距5m、10m、15m、20m、25m、30m 的位置點(diǎn)，依次在這些位置點(diǎn)放置標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，每個(gè)距離點(diǎn)測(cè)試200 次。將每個(gè)位置點(diǎn)的200 次距離測(cè)量結(jié)果求平均值，統(tǒng)計(jì)在表1 中，可以看出，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)基于ZigBee 的測(cè)距功能，且測(cè)距絕對(duì)誤差能夠小于3m。

表1 定點(diǎn)測(cè)距結(jié)果統(tǒng)計(jì)表(m)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee 的測(cè)距系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋了硬件制作、軟件編程、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、結(jié)果分析等任務(wù)要求，通過(guò)一整套較為完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和解決實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，適用于物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)課程。多樣的測(cè)距方案、測(cè)距算法和誤差修正算法，學(xué)生可以查找資料研究和探索各方案和算法的特點(diǎn)，靈活地選擇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，為培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力提供了很好的平臺(tái)。