張慶華，施偉斌

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

目前國(guó)內(nèi)的博物館對(duì)進(jìn)入館內(nèi)的人員進(jìn)行定位的方法一般是通過(guò)安裝攝像頭對(duì)人員進(jìn)行監(jiān)控，這種方法利用現(xiàn)有的科技手段能到達(dá)很好的效果。但是，應(yīng)用成本高，且當(dāng)館內(nèi)人員不在攝像頭范圍內(nèi)時(shí)，這種方法將會(huì)失效。基于這樣的考慮，文中設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee技術(shù)的博物館內(nèi)人員定位系統(tǒng)。

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低速率、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)［1］，它是由Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅位公司以及荷蘭飛利浦等公司在2002年10月共同提出［2］。該技術(shù)主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。ZigBee是一個(gè)最多可由65 000個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)［3］。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間能相互通信，自動(dòng)組網(wǎng)，形成一個(gè)覆蓋面較廣的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)這種技術(shù)的定位方面的研究，設(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地將進(jìn)入館內(nèi)的人員具體位置通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)讲┪镳^的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。同時(shí)，這套系統(tǒng)還具備了低成本、低復(fù)雜度、高覆蓋率等優(yōu)點(diǎn)，可以較好地解決了上述所遇到的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架

這套基于ZigBee技術(shù)的博物館內(nèi)人員定位系統(tǒng)采用IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及RSSI定位引擎技術(shù)設(shè)計(jì)。它由大量的無(wú)線傳感器參考節(jié)點(diǎn)、盲節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)PC組成。網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點(diǎn)將自己的參考信息同時(shí)傳輸給附近的盲節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，盲節(jié)點(diǎn)通過(guò)內(nèi)部計(jì)算，最終將計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)也傳輸給附近的匯聚節(jié)點(diǎn)。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)所輸送的信息后，再將信息傳輸給下一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)直到最終把數(shù)據(jù)輸送到網(wǎng)關(guān)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將信息傳到博物館的計(jì)算機(jī)中心。博物館內(nèi)人員定位系統(tǒng)結(jié)果如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架Fig.1 The overall designing framework of the whole system

2 定位原理

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的定位可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大類。靜態(tài)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)部署后所有節(jié)點(diǎn)靜止或低速運(yùn)動(dòng)；動(dòng)態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)部署后節(jié)點(diǎn)需要快速移動(dòng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)用場(chǎng)景［4］。所采用的是動(dòng)態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位，即利用ZigBee技術(shù)及各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)廣播的位置信息和RSSI（received signal strength indicator）值，以確定盲節(jié)點(diǎn)的空間位置信息。

接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI的理論值可以表示為：

式（1）中，n代表信號(hào)傳播常量，也稱為傳播指數(shù)；d代表距發(fā)射器間的距離；A代表距離1m時(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度。在基于RSSI定位中，已知的參考節(jié)點(diǎn)廣播自己節(jié)點(diǎn)的RSSI值，盲節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置［5］。

圖2為定位原理圖。在圖2中，參考節(jié)點(diǎn)1～4的位置是固定的，他們以不同的傳輸功率間斷地廣播自己的數(shù)據(jù)包給在自己范圍內(nèi)的盲節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包中包含有該節(jié)點(diǎn)的源ID號(hào)、頻道號(hào)、位置信息及RSSI值。源ID號(hào)是用來(lái)區(qū)分網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有自己獨(dú)立的ID號(hào)。頻道號(hào)則是用來(lái)確保所有的參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)所廣播和接收的數(shù)據(jù)信息是在同一個(gè)頻道內(nèi)。參考節(jié)點(diǎn)能夠存儲(chǔ)一定數(shù)量的參考信息，且具有可編程性。

在圖2中，節(jié)點(diǎn)1～4為參考節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)5為盲節(jié)點(diǎn)，不同顏色的虛線表示相對(duì)應(yīng)的參考節(jié)點(diǎn)廣播的信息所能到達(dá)的范圍。

節(jié)點(diǎn)5為盲節(jié)點(diǎn)，即需要定位的節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)在4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，能夠?qū)崟r(shí)地接聽(tīng)到附近參考節(jié)點(diǎn)所廣播的數(shù)據(jù)信息。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)信息的處理于分析，節(jié)點(diǎn)5將分析處理后所得到的自己的位置信息，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送到主機(jī)。這個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分布在對(duì)應(yīng)區(qū)域的所有傳感器節(jié)點(diǎn)自組而成的。

圖2 定位原理圖［5］Fig.2 The localization principle scheme

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Network topology of the localization system

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中各相關(guān)模塊的主要功能以及實(shí)現(xiàn)如下：

（1）上位機(jī)PC

通過(guò)上位機(jī)PC，可以實(shí)時(shí)向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，完成對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置。在上位機(jī)PC上面運(yùn)行定位軟件，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將信息經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸給定位軟件，確定盲節(jié)點(diǎn)的位置，完成定位功能。該定位軟件能提供人機(jī)交互的良好界面。

（2）網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是上位機(jī)PC與各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間通信的橋梁。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)于協(xié)議于因特網(wǎng)不同，故兩種網(wǎng)絡(luò)間不能直接進(jìn)行通信。通過(guò)網(wǎng)關(guān)可以使得傳感器節(jié)點(diǎn)的信息可以順利達(dá)到上位機(jī)PC，完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)交換等功能。

系統(tǒng)中的參考節(jié)點(diǎn)采用CC2430芯片［OL］，它是Chipcon公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，且完全支持2.4GHz IEEE 802.15.4／ZigBee協(xié)議。單個(gè)CC2430芯片整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，使用一個(gè)8位的MCU（8052），具有32／64／128kB可編程閃存和8kB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個(gè)定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振休眠模式電路、上電復(fù)位電路以及21個(gè)可編程I／O引腳［6］。參考節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是間斷地廣播自己的參考信息，如位置信息及RSSI值等。

（4）盲節(jié)點(diǎn) ○

系統(tǒng)中的盲節(jié)點(diǎn)采用CC2431芯片，該芯片結(jié)構(gòu)于CC2430基本上相同，主要區(qū)別在于再CC2431芯片上面攜帶了定位跟蹤引擎，使得其具有定位的功能，而CC2430無(wú)定位跟蹤引擎。盲節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是接受附近參考節(jié)點(diǎn)的信息，通過(guò)分析，將自己的位置信息經(jīng)過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)PC，并在定位軟件上顯示出該節(jié)點(diǎn)的位置。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證所提出的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)建立了小型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件由多個(gè)以CC2430或CC2431為核心的傳感器節(jié)點(diǎn)和一臺(tái)PC構(gòu)成。通過(guò)上位機(jī)軟件可以實(shí)時(shí)地刷新并顯示各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)的位置信息（圖4、圖5）。

圖4 一個(gè)盲節(jié)點(diǎn)Fig.4 One single blind node

圖5 兩個(gè)盲節(jié)點(diǎn)Fig.5 Two blind nodes

通過(guò)上位機(jī)PC的定位軟件，可以觀察到盲節(jié)點(diǎn)所在的位置。為了使得實(shí)驗(yàn)更具參考價(jià)值，實(shí)驗(yàn)中分別采用了一個(gè)盲節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)盲節(jié)點(diǎn)，然后利用參考節(jié)點(diǎn)所廣播的信息，對(duì)盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是在一個(gè)40m×40m的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)室的4個(gè)角落布置4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)（16，17，18，19），先采用一個(gè)盲節(jié)點(diǎn)（32）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)移動(dòng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)其定位（如圖4所示）；然后同時(shí)采用兩個(gè)盲節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部移動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的定位（如圖5所示）。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及盲節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置的比較分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然有些誤差，但基本能實(shí)現(xiàn)對(duì)盲節(jié)點(diǎn)的定位。經(jīng)分析這些誤差可能是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中人及實(shí)驗(yàn)器材在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)RSSI信號(hào)有阻隔，使得盲節(jié)點(diǎn)接收到的RSSI值偏小，最終導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)的誤差。

5 結(jié) 論

文中所提出的博物館內(nèi)人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和實(shí)用性。在誤差允許的范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果還是能滿足人員定位的要求。

通過(guò)在博物館內(nèi)布置一定數(shù)量的參考節(jié)點(diǎn)，而由這些參考節(jié)點(diǎn)所自動(dòng)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋整個(gè)博物館。在每個(gè)人員入館的時(shí)候都分發(fā)一張預(yù)先制作好的，攜帶有基于ZigBee技術(shù)定位功能的CC2431芯片的入館卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)館內(nèi)人員的定位。此系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部試用，定位效果及運(yùn)行的狀態(tài)良好。未來(lái)，將建立并部署在多個(gè)房間的定位系統(tǒng)，爭(zhēng)取使所提出的方案能獲得實(shí)際的應(yīng)用。

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［3］ 謝曉佳，程麗君，王 勇.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)［J］.媒體學(xué)報(bào)，2007，32（8）：884－885.

［4］ 彭 保.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位及安全定位技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009

［5］ LORINCZ K，WELSH M.A robust，decentralized approach to RF－based location tracking［D］.Boston：Harvard University，2004.

［6］ AAMODT K.Chipcon products from texas instruments［EB／OL］.［2006－01－31］.http：∥www.ti.com／product／cc2430.