虞致國，萬書芹，魏 斌，陳子逢，黃召軍

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

定位包括室外定位、室內定位兩類。其中室外定位比較成熟，如GPS、北斗系統(tǒng)等，但它們的信號難以穿透室內空間的建筑材料，無法在室內進行應用。室內定位技術不僅可讓使用者快速辨識位置，而且可以提供其他輔助服務，如設備跟蹤、無線路由協(xié)助、網(wǎng)絡拓撲控制等[1-2]。目前，室內定位技術已成為國內外的研究熱點之一[3-5]。

ZigBee技術是一種低速率、小范圍、低功耗的無線通信協(xié)議。隨著該技術的迅速應用，基于該技術的局部定位技術也開始得到廣泛的研究。本文以ZigBee技術為基礎平臺，基于鏈接質量指標（LQI）實現(xiàn)了一個無線高精度室內定位系統(tǒng)，具有可方便利用已有硬件設備、成本低、可嵌入到傳感網(wǎng)系統(tǒng)中等特點。

2 基于LQI的定位原理[6]

2.1 三邊測量法

三邊測量法是無線網(wǎng)絡中基于距離定位的基本算法。三邊測量需要同時測量目標對象到三個已知位置的靜態(tài)節(jié)點的距離，進一步求三個已知半徑和圓心坐標的圓的交點，從而給目標定位。圖1為三邊測量定位模型。

圖1 三邊測量定位模型

已知三個參考節(jié)點A、B、C的坐標分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），它們到未知節(jié)點的距離節(jié)點（x，y）的距離分別為r1、r2、r3，則可以建立如下方程：

由式（1）可以得出D點的坐標。

2.2 基于LQI的測距

從三邊測量法的原理可以看出，其核心為測出未知目標至參考點的距離。LQI為ZigBee協(xié)調器選擇信道的依據(jù)之一，在ZigBee收發(fā)模塊每接收一個數(shù)據(jù)幀時都可以得到，其動態(tài)范圍為0～255。LQI與實際距離的對應關系模型直接影響到定位的準確性。在本文中，我們采用的方法是多項式擬合的方法。假定盲節(jié)點到參考節(jié)點的距離為d，參考節(jié)點提取的LQI為lqi_val，則假定有以下關系：

其中參數(shù)a3、a2、a1及a0要根據(jù)實際的場景模型測得數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB模擬得到。

3 系統(tǒng)構建

整個系統(tǒng)包括無線節(jié)點和管理終端，其中節(jié)點包括協(xié)調器、參考節(jié)點和盲節(jié)點。參考節(jié)點為已知自身位置坐標信息的固定節(jié)點。盲節(jié)點為待定位的節(jié)點，可在參考點包圍的范圍任意移動。定位流程為盲節(jié)點廣播發(fā)送報文給參考節(jié)點，參考節(jié)點從接收到的報文中提取LQI并把它發(fā)回給盲節(jié)點，然后由盲節(jié)點統(tǒng)一打包后發(fā)給協(xié)調器，再傳回到管理終端。系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 定位系統(tǒng)的基本結構

4 節(jié)點的硬件設計

為了在無線傳感器網(wǎng)絡應用中節(jié)省成本，設計一種無線傳感器網(wǎng)絡通用節(jié)點的基本構架，完成一種具有實用價值、通用節(jié)點的軟硬件平臺的搭建是一個值得關注的問題。文中設計的硬件主要包括協(xié)調器節(jié)點、參考節(jié)點和盲節(jié)點三類。硬件平臺采用模塊化設計思想，盡量將一些公用模塊獨立出來。射頻模塊為各種類型節(jié)點不可缺少的部分，因此可以單獨設計。為了降低開發(fā)成本，協(xié)調器節(jié)點和參考節(jié)點采用了相同的主板，只是根據(jù)一些實際需求來判斷是否焊接相應的器件。協(xié)調器、參考節(jié)點和盲節(jié)點結構如圖3所示。

圖3 節(jié)點框圖

4.1 射頻模塊的設計

射頻模塊的硬件包括MCU電路、時鐘、RF匹配電路、天線、相應的對外接口等。為改進傳統(tǒng)無線技術的應用，越來越多的無線網(wǎng)絡器件和無線網(wǎng)絡解決方案在向芯片無線網(wǎng)絡平臺或無線單片機的新型解決方案方向發(fā)展，如TI公司的CC2430/CC2431、FreeScale公司的MC1319x/MC1322x系列等。文中選擇的是MC1322x，該芯片是Freescale公司針對ZigBee應用推出的片上封裝解決方案，芯片集成了標準的ARM內核、2.4GHz射頻收發(fā)器，并在開發(fā)環(huán)境中提供了ZigBee 2007/PRO協(xié)議棧。為了更好地適應低功耗開發(fā)，MC13224V設有低功耗工作模式Hibernate、Doze。

4.2 節(jié)點主板的設計

（1）協(xié)調器主板

協(xié)調器主板完成狀態(tài)指示、供電、顯示、串口通信、下載編程、I/O擴展等輔助功能。主板可通過RS232串口轉換電路實現(xiàn)PC機與網(wǎng)關節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）盲節(jié)點主板

因為受到應用環(huán)境及設備體積等其他客觀條件的影響，其供電受到限制，不便于持續(xù)以有線方式供電，用電池供電使系統(tǒng)體積小巧且便于攜帶。因此，電源部分采用3.0V鈕扣電池，電池電量通過芯片內部集成ADC進行監(jiān)測。

節(jié)點的硬件實物圖如圖4、圖5所示。

圖4 協(xié)調器節(jié)點（參考節(jié)點）硬件實物

圖5 盲節(jié)點硬件實物

5 節(jié)點的軟件設計

5.1 軟件流程

對于MC1322x來說，F(xiàn)reeScale公司提供了Beekit軟件開發(fā)環(huán)境用以輔助開發(fā)。該軟件免費提供了BeeStack協(xié)議棧，可以生成不同應用模板。BeeStack協(xié)議棧為非搶占式輪轉查詢式操作系統(tǒng)，已經(jīng)編寫了從MAC層（macEventLoop）到ZigBee設備應用層（ZDapp_event_loop）五層任務的事件處理函數(shù)。開發(fā)者一般情況下只需要編寫應用層的任務和處理函數(shù)即可。

系統(tǒng)定位過程是盲節(jié)點將周圍一跳范圍內參考節(jié)點的LQI通過協(xié)調器虛擬串口傳送到管理終端，然后管理終端機進行計算并將結果顯示在一定的圖形畫面上。因此，必須實現(xiàn)整個無線網(wǎng)絡的通信，通信流程如下：

（1）協(xié)調器節(jié)點建立網(wǎng)絡。管理終端發(fā)送相應的配置參數(shù)到無線網(wǎng)絡，如盲節(jié)點的休眠時間。

（2）盲節(jié)點廣播一定次數(shù)（如60次）特定格式的報文，用于請求獲取LQI，并設定報文的跳轉次數(shù)為1。

（3）參考節(jié)點從接收到盲節(jié)點LQI請求的報文，提取收到報文的LQI?？紤]到LQI有一定的波動性，將LQI按高斯概率模型預處理后作平均，處理后的LQI發(fā)送給盲節(jié)點。

（4）盲節(jié)點將接收到LQI發(fā)送給主節(jié)點。

5.2 盲節(jié)點的低功耗設計

盲節(jié)點主要用于定位功能，定位功能主要是發(fā)送LQI廣播命令，要求參考節(jié)點將提取的LQI發(fā)送回來，然后接收并打包LQI，其軟件流程如圖6所示。被定位的終端節(jié)點多采用電池供電，在設計過程中要盡量采取降低功耗的措施。軟件低功耗設計的主要目的就是結合實際系統(tǒng)情況，充分利用MCU的各種低功耗特性來降低系統(tǒng)功耗。主要從兩個方面進行考慮：

（1）設定盲節(jié)點定期轉為休眠狀態(tài)，并定期喚醒。使節(jié)點大部分時間處于休眠狀態(tài)，處于休眠狀態(tài)的節(jié)點關閉無線通信模塊、傳感模塊以及MCU部分電路，只保留MCU內部定時器和中斷。節(jié)點進入休眠狀態(tài)時開啟定時器，定時器到時喚醒節(jié)點，進行新一輪的定位。

（2）關閉一切不必要的外設，盡可能降低功耗。

6 管理終端監(jiān)控PC機軟件設計

節(jié)點定位系統(tǒng)主要用于實施監(jiān)測盲節(jié)點的位置，實現(xiàn)對盲節(jié)點的監(jiān)控。監(jiān)控軟件采集定位信息，通過相應的算法，計算出盲節(jié)點的位置，然后顯示在監(jiān)控界面的坐標圖上，因此定位軟件實現(xiàn)的主要功能如下：

（1）節(jié)點參數(shù)設置；

（2）設置定位區(qū)域的坐標及背景圖片；

（3）定位數(shù)據(jù)存儲；

（4）實時顯示盲節(jié)點；

（5）場景模型選擇（模型的測距參數(shù)可以來自于現(xiàn)場測試或類型場景）。

圖6 盲節(jié)點的定位流程

軟件采用Visual basic編寫，其界面如圖7所示。圖形部分為實時數(shù)據(jù)顯示區(qū)域。當定位網(wǎng)絡組建成功后，可以用PC軟件來設定節(jié)點的類型（參考節(jié)點或盲節(jié)點）、發(fā)送功率、定位頻率等。參數(shù)設置關閉后，再通過PC機或節(jié)點本身的按鈕來啟動節(jié)點的跟蹤定位。圖7中四角略大的圓點表示的是參考節(jié)點，中間略小的圓點表示的是盲節(jié)點。

圖7 PC軟件界面

7 結語

本文研究實現(xiàn)了一種面向室內公共場所的無線高精度定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應用在機場、商場等室內公共場所及倉庫、超市、貨場等場所，給需要定位的對象配置一個終端設備，這樣可以根據(jù)終端設備發(fā)出的信息，方便快捷地找到所需的位置信息，也可以提供更高層次的服務。

[1] 朱劍，趙海，張希元，等. 基于LQI量度的無線鏈路質量評估模型[J].東北大學學報（自然科學版），2008，29（9）：1262-1265.

[2] 徐國艷，孫劭軒，王江鋒，等. 一種基于LQI的道路車輛定位方法實現(xiàn)[J].公路交通科技，2010，27（4）：122-126.

[3] 李娟，唐小超，葛立峰. 基于CC11O1射頻技術的室內超聲定位系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2009，6：1-4.

[4] 王洋，王忠. 基于CC2431的無線定位系統(tǒng)[J].通信技術，2009，42（9）：190-192.

[5] 李同松. 基于ZigBee技術的室內定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].大連理工大學，2008.

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