張穎，楊臻

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

隨著物聯(lián)網(wǎng)的研究和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，ZigBee技術(shù)[1]作為一種新興的低成本、低功耗、低速率短距離的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是基于IEEE802.15.4[2]標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的無線協(xié)議。IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和MAC層，而ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。利用ZigBee技術(shù)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，被廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)現(xiàn)場采集、智能家居和醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域。

RFID （Radio Frequency Identification，射頻識別）是利用射頻信號通過空間融合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息到達(dá)自動識別目的的技術(shù)[3]。射頻識別卡的優(yōu)點就在于它的非接觸性，因此它在完成識別工作時無須人工干預(yù)，適于實現(xiàn)自動化、可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡，操作快捷方便。RFID技術(shù)是一個嶄新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，它不僅涵蓋了射頻技術(shù)，還包含了射頻技術(shù)、密碼學(xué)、通信原理和半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，是一個多學(xué)科綜合的新興學(xué)科。因此，對RFID技術(shù)的認(rèn)識和研究具有深遠(yuǎn)的理論意義。

目前實現(xiàn)室內(nèi)定位主要有基于測距技術(shù)和非測距技術(shù)，基于測距的定位算法有AOA、TOA、TDOA、RSSI；基于非測距技術(shù)的定位算法主要有：DV-Hop定位算法、質(zhì)心算法、凸規(guī)劃定位算法等[4]?；跍y距的定位機制定位精度相對較高，在低功率無線設(shè)備組成的高密度網(wǎng)中，由于各設(shè)備之間的同步無法實現(xiàn)，利用AOA、TDOA估計具體難以實現(xiàn)。盡管可以通過測量TOA來估計距離，但是多徑和噪聲，以及參考時鐘的不精確性，都將使距離估計的效果變差；基于非測距的定位算法無需測量節(jié)點間的絕地信息和角度信息，是利用網(wǎng)絡(luò)連通性計算節(jié)點的位置，但是定位精度低。而基于RSSI的距離估計，可以由傳感器節(jié)點自身測量得到，不需要額外的硬件支持。與單純利用連通信息的算法相比，RSSI增添了額外的有價值的信息。所以基于RSSI的測距是無線傳感網(wǎng)絡(luò)較常用的方法。本人通過基于RSSI的測距技術(shù)，采用RFID和ZigBee技術(shù)相融合的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計，有效的提高了室內(nèi)的定位精度，以及實現(xiàn)了房間級的定位。

1 定位系統(tǒng)的整體設(shè)計

本系統(tǒng)的設(shè)計有5個部分組成，包括上位機、網(wǎng)關(guān)、基站、電子標(biāo)簽、參考節(jié)點。上位機的功能是監(jiān)控和管理整個系統(tǒng)。定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of positioning system

網(wǎng)關(guān)的功能是由協(xié)調(diào)器來充當(dāng)，它在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的左右，首先它要響應(yīng)上位機發(fā)出的命令，開啟網(wǎng)絡(luò)，等待其他類型的節(jié)點入網(wǎng)，其實還要接收各節(jié)點的上傳的數(shù)據(jù)并傳送給上位機軟件處理?；臼怯蒢igBee模塊和RFID Reader模塊組成，它們之間通過RX/TX進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，基站的功能是在定位過程中接收上位機發(fā)送過來的消息，以調(diào)制的方式形成射頻信號，通過天線不斷的向外發(fā)送射頻信號；其中的ZigBee模塊也可以作為參考節(jié)點的作用，能夠?qū)⒆陨淼淖鴺?biāo)信息和RSSI值發(fā)送給盲節(jié)點。電子標(biāo)簽是由ZigBee模塊和RFID Tag模塊組成，它們直接是通過SPI接口連接起來的。其功能是接收基站發(fā)送過來的射頻信號，經(jīng)過解調(diào)和解碼后，將數(shù)據(jù)通過SPI方式傳送給ZigBee模塊，ZigBee模塊再通過無線的方式發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。ZigBee模塊還有另外一個作用，就是作為盲節(jié)點，可在參考節(jié)點包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動。它與參考節(jié)點、網(wǎng)關(guān)構(gòu)成一個定位系統(tǒng)。參考節(jié)點僅只有一個ZigBee模塊組成，它是一類靜止的、已知自身位置坐標(biāo)信息的節(jié)點，其功能是將自身的RSSI值和位置坐標(biāo)信息發(fā)送給盲節(jié)點。

2 定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 網(wǎng) 關(guān)

網(wǎng)關(guān)的設(shè)計包括2個部分，即無線通信模塊和輔助功能模塊。其中無線通信模塊是這個網(wǎng)關(guān)的核心部分，負(fù)責(zé)跟基站、電子標(biāo)簽以及參考節(jié)點等之間進(jìn)行通信。輔助功能模塊是完成定位串口通信、狀態(tài)指示、LCD的顯示、供電等輔助功能。網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of gateway

2.2 基 站

基站的設(shè)計包括2個部分，RFID Reader模塊和ZigBee模塊。其中RFID Reader模塊主要是由PIC16F887的微控制器和匹配電路組成。RFID Reader模塊和ZigBee模塊兩者之間通過RX/TX進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；镜慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 基站的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of base station

上位機發(fā)送命令，網(wǎng)關(guān)將激勵器ID等信息無線發(fā)送給基站中的ZigBee模塊，ZigBee模塊通過RX/TX將激勵器ID等信息發(fā)送給微控制芯片PIC16F887處理，微控制芯片通過輸出PWM信號，產(chǎn)生頻率125 kHz的載波，并將激勵器ID等信息以O(shè)OK調(diào)制方式調(diào)制在125 kHz載波上形成激勵信號，其中的數(shù)據(jù)編碼是通過曼徹斯特編碼，然后經(jīng)過驅(qū)動器TC4422的功率放大作用，通過天線不斷的向外發(fā)送125 kHz的激勵信號。當(dāng)有RFID Tag模塊接近該區(qū)域時即被喚醒，微控制器通過控制片選信號CS，將數(shù)據(jù)通過曼徹斯特碼的形式發(fā)送給RFID Tag模塊。ZigBee模塊既可以與RFID Reader進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，還可以作為參考節(jié)點，將自己的坐標(biāo)信息和RSSI值發(fā)送給電子標(biāo)簽中的盲節(jié)點。

2.3 電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽的設(shè)計包括RFID Tag模塊和ZigBee模塊。其中RFID Tag模塊主要是由AS3933前端模擬芯片和匹配電路組成，ZigBee模塊是由射頻芯片CC2530和匹配電路組成。它們之間通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CC2530通過SPI接口配置AS3933，詳細(xì)的引腳連接如圖4所示。

圖4 RFID標(biāo)簽?zāi)K與ZigBee模塊的引腳連接圖Fig.4 Connection diagram of pins between tag module and ZigBee module

RFID Tag模塊接收基站發(fā)送過來的125 k的激勵信號，再通過AS3933芯片對激勵信號解調(diào)，并對曼徹斯特碼進(jìn)行解碼后，通過配置SPI總線的相關(guān)寄存器，當(dāng)WAKE的電平為“1”時，說明有數(shù)據(jù)到來，ZigBee模塊中的CC2530將數(shù)據(jù)從AS3933中的DATA中讀出，并打包后，通過天線將數(shù)據(jù)包無線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，最后送到上位機機進(jìn)行處理，上位機根據(jù)激勵器ID和電子標(biāo)簽ID判斷，可以知道電子標(biāo)簽在某個激勵器所在位置，ZigBee模塊既與RFID Tag模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，還可以作為盲節(jié)點，不斷的向參考節(jié)點發(fā)送定位請求，從而，獲取參考節(jié)點的坐標(biāo)信息和RSSI值，再通過調(diào)用定位算法，計算出自己的坐標(biāo)信息和RSSI值，無線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，根據(jù)坐標(biāo)信息可以知道電子標(biāo)簽的位置。通過RFID Tag模塊與ZigBee模塊相互配合，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的區(qū)域定位和房間級定位。

2.4 參考節(jié)點

在該設(shè)計中，有單獨的參考節(jié)點模塊以及基站上的ZigBee模塊也可以作為參考節(jié)點。參考節(jié)點的設(shè)計包括2個部分，分別為無線通信模塊和輔助功能模塊。參考節(jié)點中的無線通信模塊接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送過來的參數(shù)配置；收集盲節(jié)點通信時的RSSI值，并計算其平均值；能夠發(fā)送自身的坐標(biāo)信息和RSSI的平均值。輔助功能模塊包含3個部分，分別是指示模塊、按鍵模塊、供電模塊。指示模塊是完成定位狀態(tài)的指示；按鍵模塊是加入和綁定網(wǎng)絡(luò)；供電模塊是負(fù)責(zé)對整個參考節(jié)點的供電。參考節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 參考節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of reference nodes

3 定位系統(tǒng)的定位流程

定位系統(tǒng)的基本思想就是系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的參考節(jié)點和盲節(jié)點節(jié)點進(jìn)行參數(shù)配置之后，盲節(jié)點等待網(wǎng)關(guān)發(fā)送定位請求，當(dāng)盲節(jié)點接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的定位請求后，就開始發(fā)送一系列的RSSI Blast信息進(jìn)行廣播，參考節(jié)點接收到盲節(jié)點發(fā)送過來的RSSI Blast數(shù)據(jù)，并保存其RSSI值。等待盲節(jié)點已配置完成規(guī)定的時間間隔后，盲節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)送XYRSSI請求廣播，每個接收到RSSI Blast信息廣播的參考節(jié)點將計算接收到的RSSI值，并根據(jù)該請求的RSSI值和之前的RSSI Blast的RSSI值計算出平均值，發(fā)送XY-RSSI響應(yīng)給盲節(jié)點，盲節(jié)點接收XY-RSSI響應(yīng)后，參考節(jié)點將向盲節(jié)點發(fā)送自己的坐標(biāo)信息和RSSI值。盲節(jié)點收到這些參數(shù)后，根據(jù)定位算法計算出自己的坐標(biāo)信息，最后將計算得到的坐標(biāo)信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機上。定位系統(tǒng)的定位時序[8]如圖6所示。

圖6 定位系統(tǒng)的定位時序Fig.6 Time sequence of localization in positioning system

4 實驗結(jié)果分析

定位軟件設(shè)計后，搭建硬件平臺，采用810的實驗室房間進(jìn)行定位。紅色的圓形點代表固定的參考節(jié)點位置，黃色正方形點代表電子標(biāo)簽的實際位置，粉色的長方形代表放置在基站，藍(lán)色色三角形代表使用上位機監(jiān)控軟件監(jiān)測到的位置。我們在房間內(nèi)放置四個參考節(jié)點，坐標(biāo)分別為（0，0）、（0，5）、（5，0）和（5，5），圍成一個 55 的區(qū)域，并記錄電子標(biāo)簽的坐標(biāo)位置；定位圖像如圖7（a）所示。保持電子標(biāo)簽點不動，再增加一個參考節(jié)點，再次記錄坐標(biāo)；定位圖像如圖7（b）所示。繼續(xù)保持電子標(biāo)簽不動，在房間的門口增加一個基站。最后記錄其坐標(biāo)。定位圖像如圖7（c）所示。

圖7 圖像顯示的定位實驗Fig.7 Positioning experiments indicated by pictures

在沒有增加基站的條件下，通過觀察圖 7（a）、7（b）的定位圖像，可以發(fā)現(xiàn)隨著參考節(jié)點的增加，上位機監(jiān)測到的測量值越來越接近實際值，所以在一定的范圍內(nèi)，隨著參考節(jié)點的增加會提高定位的精度。在相同參考節(jié)點下，在房間的門口增加一個基站，觀察圖7（c）的定位圖像，發(fā)現(xiàn)上位機監(jiān)測到的測量值要比圖7（b）中監(jiān)測到的測量值更接近于實際值。由于基站上既有RFID Reader，還有參考節(jié)點。所以不僅能提高定位精度，而且還能確定電子標(biāo)簽的具體位置。這說明通過RFID與ZigBee兩者很好的結(jié)合，可以很好的提高房間區(qū)域的定位精度，而且實現(xiàn)了房間級的定位。

5 結(jié)束語

文中主要從硬件設(shè)計介紹了一種基于RFID和ZigBee技術(shù)相融合的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計方案，對定位系統(tǒng)的硬件各個功能模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并對定位系統(tǒng)軟件流程進(jìn)行了分析。通過合理布設(shè)參考節(jié)點和基站，在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行了實測，在定位模塊通信范圍內(nèi)，通過增加參考節(jié)點的數(shù)量以及增加基站等有效方式，可以有效的提高定位的精度。通過實驗證明，通過RFID和ZigBee技術(shù)相融合的設(shè)計方案，不僅可以達(dá)到1m之內(nèi)的定位精度，還實現(xiàn)了室內(nèi)房間級的定位。該方案的硬件設(shè)備要求低、定位精度高的特點，很好地滿足了市場需求。采用基于ZigBee和RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計方案可以很好的應(yīng)用在智能樓宇、地下車庫、醫(yī)療護(hù)理等方面。

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