無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要：定位節(jié)點(diǎn)是室內(nèi)定位系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊，其性能對定位系統(tǒng)的定位精度等關(guān)鍵指標(biāo)起著十分重要的作用。本文介紹了基于ZigBee的定位網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，闡述了定位節(jié)點(diǎn)硬件和軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，對定位節(jié)點(diǎn)主要的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行了測試驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的定位節(jié)點(diǎn)能夠滿足室內(nèi)定位系統(tǒng)的需求。
關(guān)鍵詞：ZigBee；室內(nèi)定位；節(jié)點(diǎn)；CC2530

引言
    公共安全領(lǐng)域內(nèi)，室內(nèi)定位技術(shù)在羈押場所預(yù)警監(jiān)控、取保候?qū)彙⒈O(jiān)視居住，以及緊急情況救援與救災(zāi)應(yīng)急指揮調(diào)度等應(yīng)用中具備良好的應(yīng)用前景。ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無線通信技術(shù)，具有自組網(wǎng)、低延遲、可實(shí)現(xiàn)128位的AES加密和組網(wǎng)方式靈活等特性，非常適合用于室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用需求?；赯igBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，具有成本低、節(jié)點(diǎn)續(xù)航時(shí)間長、自組網(wǎng)方便靈活、便于快速部署和安全性較高等優(yōu)點(diǎn)。

1 基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)簡述
    基于ZigBee的定位網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))，為定位應(yīng)用系統(tǒng)提供定位特征信息及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)報(bào)警信息，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)組成。定位算法需要至少3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)對1個(gè)盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。定位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    定位網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器承擔(dān)著ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起和管理功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器匯集定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的定位信息，并將定位信息發(fā)送給應(yīng)用系統(tǒng)。
    參考節(jié)點(diǎn)固定布置在定位區(qū)域范圍內(nèi)的特定位置上，接收盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送的特征信息數(shù)據(jù)信號，并提取出該信號的場強(qiáng)特征信息，即RSSI(Re ceived Signal Strength Indication，接收信號強(qiáng)度指示)值。參考節(jié)點(diǎn)將其自身的特征信息和盲節(jié)點(diǎn)的特征信息數(shù)據(jù)、RSSI值打包生成定位信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。參考節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)。
    盲節(jié)點(diǎn)佩戴或安裝在被定位人員或物品上，周期性地通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送自身的特征信息數(shù)據(jù)。盲節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)。
    參考節(jié)點(diǎn)與盲節(jié)點(diǎn)使用相同的硬件，通過下載參考節(jié)點(diǎn)或是盲節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)參考節(jié)點(diǎn)或盲節(jié)點(diǎn)的功能。本文所述定位節(jié)點(diǎn)包括參考節(jié)點(diǎn)和肓節(jié)點(diǎn)。

2 基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)硬件電路主要由CC2530主控電路、射頻前端電路、電源模塊、加速度傳感器電路等部分組成。
2．1 CC2530主控電路設(shè)計(jì)
    本文選擇TI公司的CC2530為核心來設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)。CC2530是一款低成本、低功耗、高集成度的ZigBee協(xié)議SoC解決方案，工作在2．4 GHz ISM頻段。CC2530內(nèi)部集成有射頻收發(fā)器、增強(qiáng)型8051核MCU、豐富的片上存儲(chǔ)器和外圍接口資源，能夠?yàn)閆igBee協(xié)議棧及應(yīng)用軟件提供有力的支持。CC2530功耗低，在以1 dBm功率發(fā)射時(shí)，電流消耗為29 mA；接收時(shí)，電流為24 mA。CC2530支持多種低功率工作模式(空閑模式和休眠模式等)，休眠模式切換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間特性使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便，特別適合要求電池壽命長的應(yīng)用。

    節(jié)點(diǎn)以CC2530芯片為核心，配合軟件優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)功能的同時(shí)，能夠有效節(jié)省功耗、減少體積和BOM成本。主控電路的原理圖如圖2所示。
2．2 射頻前端電路設(shè)計(jì)
    CC2530是無線SoC設(shè)計(jì)方案，只需采用較少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)基本的信號收發(fā)功能。然而，要達(dá)到理想的性能，需要設(shè)計(jì)和優(yōu)選射頻電路參數(shù)，才能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的無線信號傳輸、最大的通信距離和良好的電磁兼容性能。
    CC2530的射頻輸出為差分信號，需要經(jīng)過差分一單端轉(zhuǎn)換電路，才能與常用的鞭狀或貼片天線連接；另外CC2530射頻輸出端的差分阻抗為(69+j29)Ω，為實(shí)現(xiàn)信號的高效傳輸，需要進(jìn)行阻抗變換，使射頻收發(fā)系統(tǒng)的天線接口端的阻抗等于標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω。以上兩點(diǎn)功能是射頻前端電路設(shè)計(jì)的主要任務(wù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)。
    差分一單端轉(zhuǎn)換電路基于TI公司提供的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行了參數(shù)仿真和優(yōu)化，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)根據(jù)定位系統(tǒng)需求及節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)，保證在阻抗匹配、收斂性及電磁兼容性能等方面符合系統(tǒng)要求。
    射頻前端電路手冊圖如圖3所示。其中，Term2為50 Ω天線接口，Term1與Term3及Balun器件CMP1是模擬CC2530射頻輸出端的虛擬器件。

    在ADS2011環(huán)境下對該設(shè)計(jì)進(jìn)行S參數(shù)仿真及Z參數(shù)仿真，仿真結(jié)果略——編者注。
    仿真結(jié)果顯示，匹配網(wǎng)絡(luò)正向傳播系數(shù)為-0．685dB，即插入損耗小于0．076；回波損耗為-22．733 dB，即小于0．073；輸入阻抗為69．181 Ω，輸出阻抗為50．221 Ω，匹配網(wǎng)絡(luò)較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
2．3 電源模塊設(shè)計(jì)
    節(jié)點(diǎn)核心芯片CC2530的工作電壓為2～3．6 V，其射頻輸出功率和接收靈敏度受到供電電壓的影響。射頻信號強(qiáng)度信息是定位的關(guān)鍵信息，因此，必須保證供電電壓的穩(wěn)定，才能保證定位信息的準(zhǔn)確。同時(shí)，參考節(jié)電與盲節(jié)點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用場合不同，將采取普通堿性電池、充電電池、鋰電池、直流電源等多種供電方式，輸入電源電壓范圍較寬。最后，電源模塊需要采用DC—DC轉(zhuǎn)換的方式，以提高電源轉(zhuǎn)換效率，延長電池使用時(shí)間。

    TI公司的TPS63001為一款升降壓轉(zhuǎn)化器，輸入電壓范圍為1．8～5．5 V，輸出電壓3．3 V，最大輸出電流800mA，采用3 mm×3 mm微型封裝，效率可高達(dá)96％。適用于普通堿性電池、充電電池、鋰電池等多種供電模式，具有適應(yīng)范圍寬、效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電源設(shè)計(jì)的需求。電源模塊原理如圖4所示。

3 基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件結(jié)構(gòu)
    節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)基于OSAL操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用任務(wù)(UserApp)和ZigBee設(shè)備對象任務(wù)(ZDO)一起在OSAL操作系統(tǒng)的調(diào)度下運(yùn)行，其調(diào)度機(jī)制基于優(yōu)先級。其中，用戶應(yīng)用任務(wù)優(yōu)先級最低。節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)如圖5所示。

    ZigBee系統(tǒng)任務(wù)在TI公司提供的Z—Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。ZigBee協(xié)議從上到下由應(yīng)用層APS、網(wǎng)絡(luò)層NWK、媒體訪問控制層MAC和物理層PHY組成。應(yīng)用層的主要功能與定位信息的采集與傳輸密切相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括配置設(shè)備、路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，確保數(shù)據(jù)安全、有效地傳輸?shù)侥康脑O(shè)備。媒體訪問控制層MAC控制著設(shè)備接入無線信道的時(shí)間和方法，確保數(shù)據(jù)鏈的可靠性。物理層PHY主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，完成信道的評估和射頻信號能量的測量。應(yīng)用層APS數(shù)據(jù)從一個(gè)ZigBee設(shè)備發(fā)送到另一個(gè)ZigBee設(shè)備，是一個(gè)層次封裝，然后層次解析的過程。數(shù)據(jù)傳遞流程如圖6所示。

3．2 ZigBee軟件設(shè)計(jì)
    節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行是定位系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，關(guān)系到定位數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行硬件初始化和網(wǎng)絡(luò)初始化。節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過程如下：節(jié)點(diǎn)在預(yù)先設(shè)定的信道上資料存入自己的相鄰表。在相鄰表所有父節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)深度最小的，并對其發(fā)出入網(wǎng)請求信息。如果發(fā)出的請求被批準(zhǔn)，父節(jié)點(diǎn)會(huì)分配給它一個(gè)2字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址，此時(shí)入網(wǎng)成功；如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請求信息，直到加入網(wǎng)絡(luò)或相鄰表中都沒有合適的父節(jié)點(diǎn)，則入網(wǎng)失敗，中止過程。
    當(dāng)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)鏈接中斷，則需要重新入網(wǎng)，這類節(jié)點(diǎn)被稱為孤節(jié)點(diǎn)。孤節(jié)點(diǎn)的相鄰表中存有原父節(jié)點(diǎn)的信息，它可以直接給原父節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求信息。如果父節(jié)點(diǎn)有能力同意它加入，則直接告之它以前被分配的網(wǎng)絡(luò)地址，孤節(jié)點(diǎn)重新入網(wǎng)成功；如果此時(shí)原父節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址已經(jīng)分配滿，父節(jié)點(diǎn)便無法批準(zhǔn)它加入網(wǎng)絡(luò)，孤節(jié)點(diǎn)只能以新節(jié)點(diǎn)的身份重新尋找并加入網(wǎng)絡(luò)。孤節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)處理方法對于定位系統(tǒng)穩(wěn)定和數(shù)據(jù)可靠具有重要意義。
    ZigBee節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的流程圖如圖7所示。

    節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)定位的關(guān)鍵。ZigBee定位網(wǎng)絡(luò)存在兩種數(shù)據(jù)的交互：RSSI特征信息數(shù)據(jù)和定位信息數(shù)據(jù)。簇ID是ZigBee協(xié)議定義的重要配置信息，用于區(qū)分ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸中不同的數(shù)據(jù)類型。盲節(jié)點(diǎn)向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身特征信息數(shù)據(jù)時(shí)采用的簇ID為GETRSSI—CLU，參考節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)定位信息數(shù)據(jù)時(shí)使用的簇ID為INFO—CLU。
    ZigBee數(shù)據(jù)的發(fā)送通過調(diào)用AF_DataRequest()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。ZigBee數(shù)據(jù)的接收由Z—Stack完成，接收數(shù)據(jù)完成后協(xié)議棧觸發(fā)SYS_EVENT_MSG事件和AF_INCOMING_MSG_CMD消息，OSAL在接收到該事件和消息后，調(diào)用用戶應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行后續(xù)處理。
3．3 軟件流程
    節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，通過應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)特征信息的定時(shí)廣播發(fā)送、定位信息的生成和發(fā)送、路由轉(zhuǎn)發(fā)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的檢測與報(bào)警信息發(fā)送等功能。盲節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序流程如圖8所示。

4 測試結(jié)果
    為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)功能，對本文描述的基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的測試。測試環(huán)境為室內(nèi)走廊環(huán)境，2個(gè)參考節(jié)點(diǎn)分別放置在長度為58 m的走廊兩端位置，測試者持盲節(jié)點(diǎn)在走廊的兩端之間勻速往復(fù)走動(dòng)，實(shí)時(shí)記錄節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)、報(bào)警狀態(tài)信息，以及實(shí)時(shí)跟蹤定位信息隨距離變化的結(jié)果，測試結(jié)果略——編者注。
    為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的功耗性能，本文對盲節(jié)點(diǎn)工作模式和空閑模式的功耗分別進(jìn)行了測試。盲節(jié)點(diǎn)供電電壓為3．3 V，正常工作時(shí)，以2 Hz的頻率更新定位信息數(shù)據(jù)，平均電流實(shí)測為11．3 mA；空閑模式實(shí)測電流低至1．2 mA。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)較好地實(shí)現(xiàn)了低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明：本文所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)定位系統(tǒng)測試中，能夠滿足定位系統(tǒng)對節(jié)點(diǎn)的功能及性能要求。

結(jié)語
    本文討論了基于CC2530的室內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，節(jié)點(diǎn)具有網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定、工作距離遠(yuǎn)、功能豐富和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。在殲展的基于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)測試和應(yīng)用中取得了良好的效果。