引言

　　隨著數(shù)據(jù)業(yè)務和多媒體業(yè)務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內(nèi)環(huán)境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場等環(huán)境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內(nèi)的位置。但是受定位時間、定位精度以及室內(nèi)復雜環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術目前還無法很好地利用。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它最顯著的特點是低功耗和低成本。利用ZigBee技術實現(xiàn)定位具有低成本、低功耗的優(yōu)點，且信號傳輸不受視距的影響。

1  相關核心技術概述

1.1  ZigBee技術概述

　　ZigBee技術[1]是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)率、低復雜度的雙向無線通信技術，它是基于IEEE 802.15.4標準開發(fā)的無線協(xié)議。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE 802.15.4負責物理層和鏈路層標準。完整的ZigBee協(xié)議套件由應用層、應用架構層、網(wǎng)絡層以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層等組成，協(xié)議棧結構如圖1所示。

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圖1  ZigBee協(xié)議棧結構

　　ZigBee可使用的頻段有3個，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz 頻段以及美國的915 MHz 頻段，不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。中國采用2.4 GHz頻段，它是免申請和免使用費的頻段；采用直接序列擴頻技術DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，傳輸距離介于10~75 m（增加RF發(fā)射功率，可達500 m）；傳輸速率為20~250 kb/s，適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸。ZigBee技術具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)。

1.2  RSSI定位技術

　　RSSI[2]（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示）是指節(jié)點接收到的無線信號強度大小。在基于接收信號強度指示RSSI 的定位中,已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度,接收節(jié)點根據(jù)接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗,利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉化為距離,再利用已有的算法計算出節(jié)點的位置。該技術硬件要求較低、算法相對簡單,在實驗室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性;但由于環(huán)境因素變化的原因,在實際應用中往往還需要改進。接收信號強度是發(fā)射功率和發(fā)射器與接收器間距離的函數(shù)。

　　接收信號強度RSSI理論值可由式 (1)表示：

RSSI=-(10n·lgd+A)(1)

其中，n代表信號傳播常量，也叫傳播指數(shù)；d代表距發(fā)射器間的距離；A代表距離1 m時的接收信號強度。

　　信號的衰減與距離成對數(shù)衰減的關系。節(jié)點到信號源的距離越近, 由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差越??；而當距離大于某一值時,由RSSI波動造成的絕對距離誤差將會很大。一個未知節(jié)點可能收到n個參考節(jié)點的信號, 所以應當采用RSSI值大的前幾個參考節(jié)點進行定位計算，這樣可以避免定位誤差擴大。

2  ZigBee技術實現(xiàn)定位的優(yōu)勢

(1) 功耗低

　　由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW,而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。ZigBee設備僅靠2節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，其功耗遠遠低于其他無線設備。

(2) 成本低

　　與 GPS相比，定位引擎在單芯片 ZigBee RF收發(fā)器中與 MCU集成在一起，成本不及 GPS硬件的1/10，功耗也只是 GPS硬件的一小部分，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。

(3) 時延短

　　通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。因此ZigBee技術適用于對實時定位要求較高的應用。

(4) 網(wǎng)絡容量大

　　一個星型結構的ZigBee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，組網(wǎng)方式靈活。隨著ZigBee技術的成熟，未來ZigBee設備不斷增多，可以利用具有ZigBee RF的設備或基礎設施,容易組建ZigBee網(wǎng)絡，降低了ZigBee節(jié)點設計和組網(wǎng)成本,且利用更多的ZigBee設備可以達到更高的定位精度。

3  室內(nèi)定位系統(tǒng)設計

3.1  系統(tǒng)結構

　　定位系統(tǒng)由盲節(jié)點（即待定位節(jié)點）和參考節(jié)點組成，為了便于用戶獲得位置信息，還需要一個與用戶進行交互的控制終端和一個ZigBee網(wǎng)關。系統(tǒng)結構如圖2所示。

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圖2  系統(tǒng)結構圖

　　參考節(jié)點是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點,這個節(jié)點知道自己的位置并可以將其位置通過發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他節(jié)點。盲節(jié)點從參考節(jié)點處接收數(shù)據(jù)包信號,獲得參考節(jié)點位置坐標及相應的RSSI值并將其送入定位引擎,然后可以讀出由定位引擎計算得到的自身位置。由參考節(jié)點發(fā)送給盲節(jié)點的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點的坐標參數(shù)水平位置X和豎直位置Y,而RSSI值可由接收節(jié)點計算獲得。

　　一般來說參考節(jié)點越多越好,要得到一個可靠的定位坐標至少需要3個參考節(jié)點。如果參考節(jié)點太少,節(jié)點間影響會很大，得到的位置信息就不精確，誤差大。對于CC2431,要得到好的定位精度，需要8個參考節(jié)點；如果得不到8個節(jié)點,則應該使用盡可能多的節(jié)點。CC2431的無線定位引擎可以處理最高達64 m的X、Y值。

　　為了收集計算得到的數(shù)據(jù)和與無線節(jié)點網(wǎng)絡交互，特定的控制系統(tǒng)是必需的。一個典型的控制單元是一臺計算機，然而一個PC沒有一個嵌入的無線接收器，因此接收器需要從外部接入，還需要一個ZigBee網(wǎng)關。ZigBee網(wǎng)關的作用就是將無線網(wǎng)絡連接到控制終端，所有位置計算都由盲節(jié)點來實現(xiàn)，所以控制終端不需要具備任何位置計算功能。它的唯一目的是讓用戶和無線網(wǎng)絡進行交互，比如獲得盲節(jié)點的位置信息。

3.2  CC2431芯片簡介

　　CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案,能滿足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡的應用需要。CC2431的定位引擎基于RSSI技術,根據(jù)接收信號強度與已知參考節(jié)點位置準確計算出有關節(jié)點位置,然后將位置信息發(fā)送給接收端。

　　CC2431由2.4 GHz直接序列擴頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器組成,是帶有128 KB閃存的8051內(nèi)核ZigBee無線單片機,并帶有定位跟蹤引擎。CC2431的設計結合了8 KB的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，它們是根據(jù)不同的閃存空間32 KB、64 KB和128 KB來優(yōu)化復雜度與成本的組合。CC2431的尺寸只有7 mm×7 mm的48腳封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18 μm CMOS標準技術。針對協(xié)議棧、網(wǎng)絡和應用軟件執(zhí)行時對MCU處理能力的要求，CC2431包含一個增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內(nèi)核，運行的時鐘頻率為32 MHz。CC2431還包含一個DMA控制器，它能夠被用于減輕8051微控制器內(nèi)核對數(shù)據(jù)搬移的操作，因此提高了芯片整體的性能。

　　系統(tǒng)基本硬件連接電路如圖3所示。連接50 Ω單極天線的部分由電感和電容構成,其中的電感L1、L2還為芯片內(nèi)部的低噪聲放大器和功放提供直流偏置。也可采用一個無需阻抗匹配電路的折疊式偶極子PCB天線。圖3中，XTAL1為一個等效串聯(lián)電阻(ESR)<60 Ω的32 MHz晶振，R1為其建立精確的偏置電路，C1、C2是去耦電容，用于電源濾波，向電壓調(diào)節(jié)器提供穩(wěn)定的核心電壓。

　　圖3中，CC231還提供了良好的接地保護功能，除了48引腳外，其芯片底層提供了AGND接地引腳，可以有效地抑制噪聲，減少電磁干擾，保證電路系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

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圖3  系統(tǒng)基本硬件連接電路

3.3  定位引擎操作流程

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圖4  定位引擎操作流程

　　CC2431的硬件定位引擎與軟件定位方法相比的優(yōu)勢是： 速度快、精度高，不占用處理器時間。該定位引擎的主要特點如下：定位估計算法需3～8個參考節(jié)點；定位估計以0.5 m為單位；計算節(jié)點位置耗時少于40 μs；定位范圍為64 m；定位偏差低于3 m；定位引擎采用分布式計算方法，該方法使用已知參考節(jié)點的RSSI信息定位。在節(jié)點上分布式定位計算可避免集中計算方法帶來的大量網(wǎng)絡傳輸與通信延遲問題。定位引擎操作流程[3]如圖4所示。

　　在定位引擎運行之前,必須使能定位引擎寄存器LO2CENG的第4位LOCENG.EN。當要停止定位引擎運行時,應往LOCENG.EN 寫入0關斷引擎的時鐘信號,以降低CC2431的功耗。對定位引擎的操作,主要就是對與定位引擎有關的寄存器的操作。

　　定位引擎運行時需要輸入3～8個參考坐標。參考坐標是以m為單位的,它表示各個參考節(jié)點的位置,其數(shù)值位于0～63.75,最高精度為0.25 m,以最低2位為小數(shù)部分,剩余6位為整數(shù)部分。參考坐標存放于RF 寄存器REFCOORD中。在寫入REFCOORD之前,寄存器LO2CENG的第1位LOCENG.REFLD 必須寫入1,用于指示一組參考坐標將要被寫入。一旦坐標寫入過程開始(LO2CENG.REFLD=1),8對坐標必須一次性寫入。當定位引擎使用少于8個參考坐標時,要將未用的參考坐標寫入0.0。

4  定位區(qū)域的擴展

　　定位引擎可以處理最高達64 m的X、Y值,更準確地說是63.75 m，但是這個區(qū)域對實際應用來說顯得太小,因此擴展區(qū)域非常必要?？梢酝ㄟ^軟件預處理算法來實現(xiàn)。每個節(jié)點用2個字節(jié)代表X、Y。因為精度為0.25 m， 因此最大范圍為16 384 m(214=16 384)。圖5是用預處理算法進行區(qū)域擴展的示意圖。

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圖5  擴展定位區(qū)域示意圖

　　該圖所示的區(qū)域中,在X、Y方向上每隔30 m放置一個參考節(jié)點，虛環(huán)中間的白色節(jié)點為盲節(jié)點,其他節(jié)點為參考節(jié)點。第1步，確定具有最高RSSI值的一個節(jié)點并計算一個補償值，使之“移動”到64 m×64 m范圍的中心。由于已知來自此節(jié)點的RSSI值,所以到此節(jié)點的距離很容易得到；第2步，確定除“最強”節(jié)點之外的其他使用節(jié)點，所有節(jié)點用第1步中的補償值進行修正；第3步，所有獲得值送入定位引擎，讀出由其計算得到的位置；最后一步，將補償值添加到計算得到的位置中，完成這些計算之后，盲節(jié)點在網(wǎng)格中的位置就確定了。

結語

　　CC2431作為一款集成有定位引擎的ZigBee射頻收發(fā)器，結合其他ZigBee節(jié)點構成的無線網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)3～5 m的定位精度。ZigBee作為一種高性價比、低成本、低功耗、低復雜度的無線通信技術，以其來實現(xiàn)室內(nèi)無線定位具有良好的應用前景。隨著人們生活水準的提高，人們對定位服務有著越來越高的需求，雖然目前已經(jīng)有多種定位技術，但是在室內(nèi)定位方面存在一定缺陷和不足。如果將這些定位技術和ZigBee定位技術結合起來，將會實現(xiàn)更加完美和精準的定位服務。