楊柳松潘洪雨盧曉琳韋玉瓊張勁松

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

基于無線ZigBee技術的區(qū)域精確定位

楊柳松潘洪雨盧曉琳韋玉瓊張勁松

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

摘要：人們對于在復雜的室內(nèi)環(huán)境中所關心的目標進行監(jiān)控和定位的需求與日俱增，如工廠、倉儲、地下停車場等，常需要確定相關人員及重要設施在室內(nèi)的位置信息。所以制定出一套定位精度高、成本低廉、實現(xiàn)簡單且魯棒性好的無線傳感器網(wǎng)絡室內(nèi)定位系統(tǒng)是本文研究的重點。本文以CC2431無線定位引擎為定位核心，搭建了基于ZigBee技術的區(qū)域定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)滿足低成本、低功耗的要求，可以實現(xiàn)精確的區(qū)域定位。

ZigBee技術；精確定位；無線傳感器網(wǎng)絡

當前GPS是比較成熟的室外定位技術。然而在區(qū)域環(huán)境下，GPS信號遇到障礙物時信號大大衰減，定位精度急劇下降，且其功耗大。因此制定出一套成本低廉、定位精度高、實現(xiàn)簡單且穩(wěn)健性好、安全可靠、算法復雜度低的無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)域定位系統(tǒng)是本文的研究重點。ZigBee技術是一種低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)傳輸率、短距離的無線通信技術，將ZigBee技術應用到無線傳感器網(wǎng)絡中，能夠?qū)崿F(xiàn)精確地區(qū)域定位，若目標脫離該區(qū)域則報警提示。

1.系統(tǒng)方案的設計

本系統(tǒng)采用的是ZigBee室內(nèi)定位方法。ZigBee區(qū)域定位系統(tǒng)是一個可視化的無線傳感器網(wǎng)絡定位系統(tǒng)，此定位系統(tǒng)包括ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡與定位監(jiān)控部分。對于定位監(jiān)控部分，終端PC機是其的重要組成部分。首先，此PC機上應該裝有能夠查看實時定位的監(jiān)控軟件，之后，此終端PC機需要使用USB轉(zhuǎn)串口線與該傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關部分進行連接，相關用戶能夠使用這個軟件對ZigBee網(wǎng)絡進行配置與管理，對于網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)，也可通過此軟件來得到。如果用戶需要相關網(wǎng)絡節(jié)點的實時位置坐標，可以通過此監(jiān)控軟件形象化的交互界面，方便的得到其坐標。ZigBee網(wǎng)關節(jié)點，參考節(jié)點和盲節(jié)點等3種類型的節(jié)點組成了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡。其中，參考節(jié)點是坐標確定的靜態(tài)節(jié)點，本網(wǎng)絡中選擇以CC2430為主芯片的模塊，盲節(jié)點是能夠隨意挪動的一種節(jié)點，是未定位的節(jié)點，本網(wǎng)絡中使用的是CC2431模塊。盲節(jié)點通過與參考節(jié)點之間通信的方式來接收各個參考節(jié)點的數(shù)據(jù)包，盲節(jié)點從參考節(jié)點的數(shù)據(jù)包中即可得到各個參考節(jié)點的坐標。CC2431模塊自帶的定位引擎部分通過計算得到的盲節(jié)點的坐標值，參考節(jié)點與盲節(jié)點的相關信息傳遞到Zigbee網(wǎng)關節(jié)點，再由網(wǎng)關經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口線傳送到上位機，最后由定位監(jiān)控軟件給用戶展現(xiàn)出來，若目標脫離該區(qū)域則報警提示。這便是本定位系統(tǒng)的總體設計。圖1所示為本系統(tǒng)總體的系統(tǒng)結構圖。

圖中1、2、3、4為CC2430芯片；5為CC2431芯片；6、10、11、12、13為靜態(tài)節(jié)點（參考點）；14為盲節(jié)點；7為網(wǎng)關；8為終端PC機；9為手機。

圖1　系統(tǒng)結構圖

2.硬件系統(tǒng)

2.1 網(wǎng)絡中節(jié)點的設計

ZigBee無線定位網(wǎng)絡有3種類型的節(jié)點，分別是ZigBee網(wǎng)關節(jié)點（I，0cation Dongle）、參考節(jié)點（Reference Nodes）和盲節(jié)點（Blind Nodes）。

2.2 CC2430／CC2431芯片

CC2430模塊與CC2431模塊在外觀上是沒有任何差異的，兩種模塊都可以用作路由器、協(xié)調(diào)器或終端節(jié)點。在ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)中，CC2431模塊具有自帶的定位引擎部分，是具有定位功能的。因此CC2431模塊不僅可以作為網(wǎng)關和參考節(jié)點，還可以作為盲節(jié)點使用。而CC2430模塊沒有定位引擎部分，所以CC2430模塊僅能夠用來作為網(wǎng)關節(jié)點和參考節(jié)點使用。

2.2.1 CC2431定位原理

CC2431模塊的定位引擎是基于RSSI技術。在Zigbee無線定位系統(tǒng)中，參考節(jié)點是已知自身坐標值的靜態(tài)節(jié)點，此類節(jié)點已知自己的坐標值，且可將其坐標經(jīng)由發(fā)送的數(shù)據(jù)包告知周圍的節(jié)點。而盲節(jié)點的坐標不是已知的，它會從參考節(jié)點處接收相關的數(shù)據(jù)包，從而獲得周圍參考節(jié)點的位置信息及相應的RSSI值。之后將這些信息均送入定位引擎，便可得到通過定位引擎計算的盲節(jié)點的坐標。這個過程中，從參考節(jié)點發(fā)出，到盲節(jié)點的數(shù)據(jù)包至少應該包括參考節(jié)點的坐標（水平位置參數(shù)X和豎直位置參數(shù)Y），而RSSI值可由接收節(jié)點計算獲得。

3.軟件系統(tǒng)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的軟件部分由上位機的軟件部分和下位機的軟件部分組成。本定位系統(tǒng)在研制開發(fā)過程中，應用的定位監(jiān)視軟件是Z. Location Engine，該軟件用來給PC機調(diào)試。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點有多種類型，各個節(jié)點的功能也不盡相同。所以下位機軟件的編寫要大大地難于上位機軟件的編寫，它一般使用嵌入式軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用了嵌入式的集成開發(fā)環(huán)境IAR EW8051對下位機的軟件部分進行開發(fā)編寫。

3.1 系統(tǒng)各節(jié)點設計

本項目在前期研發(fā)驗證階段，使用6個參考節(jié)點，1個盲節(jié)點。

首先，定位操作應該使用“最優(yōu)”參考節(jié)點，現(xiàn)使用具有的6個參考節(jié)點。五邊形區(qū)域a，b，c，d，e，f處各放置一個參考節(jié)點，五邊形每個角為參考節(jié)點，盲節(jié)點在五邊形內(nèi)部。首先，找到周圍一個具有最高RSSI值的節(jié)點，同時計算一個補償值，讓其“移動”到五邊形范圍的中心。因為這個節(jié)點的RSSI值是已經(jīng)知曉的，便可很容易得到與這個節(jié)點的距離。然后，找到周圍除了“最強”節(jié)點之外的各個節(jié)點。用剛才所得到的補償值對各個節(jié)點進行修正。之后，將所有節(jié)點的信息傳送到定位引擎，并得到最后的坐標信息。最后，在計算過程中加入補償值。完成這些計算之后，盲節(jié)點在全局網(wǎng)格中的位置就確定了。

表1　定位實驗測量結果圖

結語

本系統(tǒng)使用CC2431模塊和CC2430模塊，設計并搭建了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡室內(nèi)定位系統(tǒng)。第一步，確定參考節(jié)點的位置坐標，對參考節(jié)點進行測試分析，初步驗證系統(tǒng)的正確性。第二步，在參考節(jié)點圍成的定位區(qū)域中尋找到盲節(jié)點，表示無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)成功。通過以上的定位實驗，經(jīng)測量得到帶有定位引擎的CC2431模塊可以實現(xiàn)1.5m左右的定位精度。本系統(tǒng)能夠滿足低功耗、低成本的要求，僅用兩節(jié)電池便可使CC2430/31模塊工作半年左右。由于時間和筆者技術水平等主客觀因素的限制，本課題在取得階段性成果的同時，依然有些問題需要深入研究，例如：對硬件平臺進行改進，在節(jié)點中增加功率放大器，提高無線節(jié)點通信距離等。

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