基于CC2431的無線定位技術(shù)研究
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GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。然而在室內(nèi)、地下等場合的定位需求卻有其局限性。近幾年來，隨著IEEE 802．15．4商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸完善，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的相關(guān)技術(shù)開始被廣泛討論和研究。隨著，TI公司提出帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案CC2431。以及WSN用于無線定位技術(shù)被廣泛研究，該器件能滿足低功耗ZigBee／IEEE 802．15．4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要，CC2431的定位引擎基于接收信號強(qiáng)度指示RSSI(Received Signal StrengthIndicator)技術(shù)，相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能降低網(wǎng)絡(luò)流量與通信延遲，在典型應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)3～5 m的定位精度和0．25 m的分辨率。這里基于RSSI定位技術(shù)，詳細(xì)介紹CC2431無線定位系統(tǒng)的構(gòu)成、定位原理，并實(shí)現(xiàn)了基于CC2431無線定位系統(tǒng)的設(shè)計。
2 CC2431簡介
CC2431以強(qiáng)大的IAR集成開發(fā)環(huán)境為支持，結(jié)合Zig-Bee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計，展示領(lǐng)先的ZigBee解決方案，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，同時也適用于ZigBee之外的2．4 GHz頻率的其他設(shè)備。CC2431的定位引擎基于RSSI技術(shù)．根據(jù)接收信號強(qiáng)度與已知參考節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確計算出有關(guān)節(jié)點(diǎn)位置。然后將位置信息發(fā)送至接收端。
3 基于CC2431定位原理及實(shí)現(xiàn)
3．1 RSSI定位技術(shù)
RSSI是指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號強(qiáng)度大小。在基于RSSI的定位中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號的強(qiáng)度計算出信號的傳播損耗。利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離．并進(jìn)一步利用三角定位法確定待定位節(jié)點(diǎn)位置。該技術(shù)硬件要求較低、算法相對簡單，并且一些通信協(xié)議中已攜帶有RSSI的信息，這樣使得基于RSSI定位方法具有廣泛的應(yīng)用前景。該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性，但由于環(huán)境因素變化等原因．實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步改進(jìn)。
3．2 基于CC2431的定位系統(tǒng)
定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)確知自身的位置并可將其位置通過發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他參考節(jié)點(diǎn)(采用CC2430)。定位節(jié)點(diǎn)從參考節(jié)點(diǎn)處接收數(shù)據(jù)包信號，獲得參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值并將其送入定位引擎，然后讀出由定位引擎計算得到的自身位置。
由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送給定位節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)水平位置X和垂直位置Y。而RSSI值可由接收節(jié)點(diǎn)計算獲得。圖1為具體定位系統(tǒng)原理框圖。
該定位系統(tǒng)原理框圖中各部分的作用如下：
(1)主機(jī) 采用一臺普通的PC，主機(jī)連接網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的工作調(diào)度，編寫的定位軟件可實(shí)時觀察各個定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況。
(2)網(wǎng)關(guān) 該網(wǎng)關(guān)用于組建一個ZigBee WSN網(wǎng)絡(luò)，并充當(dāng)協(xié)調(diào)器，把定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及外部環(huán)境參數(shù)傳送給主機(jī)。
(3)參考節(jié)點(diǎn) 在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)路由器的角色。而且在定位系統(tǒng)中，它由用戶指定固定坐標(biāo)，并為定位節(jié)點(diǎn)提供該坐標(biāo)和RSSI平均值。參考節(jié)點(diǎn)(reference node)是一種已知靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)(x，y)是固定的，并且不參與定位計算，可由CC2430或CC2431器件實(shí)現(xiàn)。一個定位區(qū)域通常由8個參考節(jié)點(diǎn)組成。系統(tǒng)至少需要3～4個參考節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行定位。本文采用CC2430作為參考節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。
(4)定位節(jié)點(diǎn) 其內(nèi)部具有定位引擎，能夠根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)提供的同定坐標(biāo)和RSSI平均值計算出自身的精確位置(坐標(biāo))，并把該坐標(biāo)協(xié)同定位節(jié)點(diǎn)標(biāo)識號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。本文中核心器件采用CC2431實(shí)現(xiàn)。
3．3 定位工作流程
定位節(jié)點(diǎn)(blind node)是一類可移動的節(jié)點(diǎn)，可在參考節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動。定位節(jié)點(diǎn)接收區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值后，通過定位算法來計算其坐標(biāo)位置。定位節(jié)點(diǎn)南CC2431器件實(shí)現(xiàn)。采用該器件，可實(shí)現(xiàn)0．25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度，定位時間小于40μs。圖2是參考節(jié)點(diǎn)工作流程圖，圖3為定位節(jié)點(diǎn)工作流程圖。
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