基于ZigBee定位系统的设计与实现.doc

1、1基于 ZigBee 定位系统的设计与实现摘 要：随着社会的进步和发展，越来越多的场合都需要基于位置的服务。比较典型的应用有犯罪人员跟踪、城市观光旅游，车辆定位等等。本论文研究了基于 ZigBee 网络的无线定位技术，并在此基础上实现了人员的定位系统。系统硬件以德州仪器公司 CC2530 芯片上系统为核心，软件基于德州仪器公司 Z-Stack 协议栈将测距标定与完整定位流程结合起来，通过测量接收信号强度计算未知节点到参考节点的距离，然后利用三角质心算法进行定位以确定未知节点的坐标。该系统具有低成本、低功耗、高可靠性、易安装等特点。 关键词：ZigBee；CC2530；无线定位 一、引言 传感器

2、节点的自身定位是传感器网络应用的基础。例如目标检测与跟踪、基于位置信息的路由、智能交通、物流管理等许多应用都要求网络节点预先知道自身的位置，并在通信和协作过程中利用位置信息完成应用要求。传感器网络规模巨大，节点成本低廉，使得为每个传感器节点配备 GPS 模块并不现实。如何设计出适合感知网络自身特点的，能量高效、简单精确、可扩展的节点定位算法，成为近来学术界的研究热点。二、系统结构及测量原理 系统的结构：系统采用 9 个人参考节点与 1 个未知节点的组合方式。2即 ZigBee 节点分属于两类 ZigBee 网络设备。测量的原理：系统以接收信号强度（Received Signal Strengt

3、h Indication，RSSI）的测距技术为前提。接收信号强度的定位方法，是在已知发射节点的发射信号强度，根据接收节点接收到信号强度，计算出信号的传播损耗，再利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离值，最后根据距离计算节点的位置。1接收信号强度（RSSI）理论值可由式（1）表示：RSSI=-（10n?lg（d）+ A） （1）式中：n 代表信号传播常量，也叫传播指数，他表示信号能量随着到收发器距离的增加而衰减的速率；d 代表距发射器和接收器间的距离；A 代表距离为 1m 时的接收信号强度的绝对值。 系统基于理想的电磁信号传播模型，采用了“RSSI-距离”与曲线拟合法相结合的方法：根据得到的“

4、RSSI-距离”关系拟合出一个解析函数（单调性为单调减函数） ，用测得的 RSSI 值，反解求距离，避免了多个距离值对应一个 RSSI 值得情况。将参考节点分为三组，通过待定节点到坐标已知参考节点的距离根据三角形质心算法计算出各组的质心坐标，再求三个值得均值即为待定节点的坐标。 实际情况下由于室内环境的复杂性，接收信号强度与计算出的总有误差。三角质心定位算法的基本思想是：分别以三个参考节点为圆心（假设三个参考节点为 A、B、C） ，通过公式（1）算出的参考节点到未知节点的距离 ra 、rb 、rc ，以这三个距离为半径画圆，假设交点的坐标为（x，y） ，可以得到如下关系式： 三、系统硬件 3系

5、统采用的模块芯片是 CC2530，它是 TI 公司推出的用来实现嵌入式ZigBee 应用的片上系统，它支持 2.4GHz IEEE80215.4/ZigBee 协议。根据芯片内置闪存的容量不同，提供给用户 4 个版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有 32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 还包含 A/D 转换器、定时器 Timer、AES128 协同处理器、看门狗定时器、32kHz 晶振休眠模式，定时器上电复位电路以及外部 21 个可编程的 I/O口，在硬件上支持 IEEE802.15.4 规定的 CSMA-CA 功能。CC2530 自身资源丰富和低功耗、低成

6、本的特点使得其非常适用于无线传感器网络中。2节点的硬件设计分为两大部分：无线通信模块设计和无线测试模块设计。无线通信模块的功能是为节点间的无线数据提供接口，它是节点的核心部分。无线测试模块通过 RS232 串口转换电路实现上位机与协调器节点间的数据传输。 四、系统设计流程 软件设计基于德州仪器开发的 Z-Stack 协议栈，软件运行的基本流程是协调器先组网，带定位节点向参考节点广播一定量的消息，消息的内容并不重要，重要的是从接收到的消息同时测量接收到的信号强度，即 RSSI 值，分别计算出参考节点收到的消息的 RSSI 值的平均值。参考节点再将各自算得的平均值发送给带定位节点，待定位节将所有的

7、 RSSI值发送给协调器，协调器通过串口发送给计算机。3上位机上采用质心算法求出未知节点的坐标，并将整个系统的运行流程图如图 1 所示。 图 1 系统的运行流程图 五、节点设计 4系统的初始化主要包括节点的各参数初始化。4节点按功能分类可以分为参考节点和待定位节点。参考节点是已知自身位置的静止的节点，它的任务是接收带 RSSI 值的信息包并计算 RSSI 的平均值。待定位节点是在参考节点范围区域内可以任意移动一类可以移的节点。待定位节点首先向周围区域广播 RSSI 簇，并接收一跳范围内的参考节点的平均 RSSI值，收到各参考节点返回的平均 RSSI 值后，无线发送给协调器。5待定位节点和参考节

8、点的定位流程图分别如图 2 和图 3 所示。 图 2 待定位节点的定位流程图 图 3 参考节点的定位流程图 六、结论 本系统是一种适用于大多数环境下包括井下人员搜索与定位场景的应用。系统主要依据了未知节点相对于参考节点的接收信号强度值，并采用三角质心定位机制。6在监控区域由协调器节点通过无线网络将相关数据采集处理并上传至 PC 上位机监测平台。目前定位精度能达到30cm。同时硬件平台具有低功耗、自组网、低成本特点的无线通信模块。非常适用于组建小范围的无线通信平台。在特殊的场合对定位模块加入所需传感器模块，对定位目标周围的环境进行监测与报警。7人员定位技术的关键在于提高定位的精度，采用基于信号强

9、度的定位方法，具有良好的定位效果。将会有越来越多的行业对人员定位有需求，因此本系统具有广阔的应用前景。 参考文献： 1 陈维克.基于 RSSI 的无线传感器网络加权质心定位算法J.武汉理 5工大学学报：交通科学与工程版，2006，30（2）：265-267. 2 汪炀.无线传感器网络定位技术研究D.合肥：中国科学技术大学 2007. 3 张兵，林建辉，伍川辉.基于 ZigBee 技术无线传输网络的设计与实 现J.仪表技术与传感器，2009（2）：49-51. 4 倪巍，王宗欣.基于接收信号强度测量的室内定位算法J.复旦大学 学报：自然科学版，2004，43（1）：72-76. 5 章磊，黄光明.基于 RSSI 的无线传感器网络节点定位算法J.计算机 工程与设计，2010，31（2）：291-294. 6 高畅，王珂.基于 RSSI 的无线传感器网络高手公路定位算法D.吉林： 吉林大学，2007. 7 王久勇，庄毅，顾晶晶，等.一种基于 RSSI 的实时定位算法的研究J. 仪器仪表学报，2008，29（8）：204-208. 8 孙利民.无线传感器网络M.北京：清华大学出版社，2005：148-155.