基于CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)

摘 要：在室內(nèi)環(huán)境下對移動目標(biāo)定位可使用的技術(shù)主要有超聲波定位技術(shù)、射頻識別技術(shù)以及基于接收信號強(qiáng)度(RSSI)的定位技術(shù)。經(jīng)過比較，基于接收信號強(qiáng)度(RSSI)的定位技術(shù)更適合于復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境。介紹基于RSSI定位機(jī)制的CC2431片內(nèi)集成定位引擎在室內(nèi)定位系統(tǒng)中的應(yīng)用，并在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)測，其定位效果良好。
關(guān)鍵詞：CC2431；信號接收強(qiáng)度；定位引擎；室內(nèi)定位

隨著無線通信和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于位置的服務(wù)(LBS)顯得越來越重要。在室外環(huán)境下，全球定位系統(tǒng)(GPS)已經(jīng)比較成功地解決了定位問題，它通過GPS接收機(jī)測量來自5～24個(gè)衛(wèi)星信號的到達(dá)時(shí)間差(TDOA)進(jìn)行位置估算，可以提供接近全球的定位覆蓋范圍。而在室內(nèi)環(huán)境下，GPS系統(tǒng)由于衛(wèi)星信號被阻隔而無法完成定位。與此同時(shí)，室內(nèi)定位服務(wù)的需求日益增加，室內(nèi)定位技術(shù)的研究成為各大高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

1 室內(nèi)定位技術(shù)
目前已有的室內(nèi)定位技術(shù)主要有：超聲波定位技術(shù)、射頻識別技術(shù)(RFID)以及基于接收信號強(qiáng)度(RS―SI)的定位技術(shù)。
超聲波定位技術(shù)大都采用反射式測距法，即發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的回波，根據(jù)回波與發(fā)射波的時(shí)間差計(jì)算出待測距離。超聲波定位系統(tǒng)由若干應(yīng)答器和1個(gè)主測距器組成。主測距器放置在被測物體上，在上位機(jī)指令信號的作用下向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同頻率的無線信號，應(yīng)答器在收到無線信號后向主測距器發(fā)射超聲波信號，從而得到主測距器與各個(gè)應(yīng)答器之間的距離，進(jìn)而確定被測物體的坐標(biāo)。Cricket Loca―tion Support System和Active Bat Location System是目前成功使用的兩個(gè)系統(tǒng)。但是這類系統(tǒng)需要大量的底層硬件設(shè)施投資，成本太高，無法大面積推廣。
射頻識別(RFID)系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀卡器以及在標(biāo)簽與讀卡器之間傳遞射頻信號的微型天線3部分組成。當(dāng)標(biāo)簽置于讀卡器發(fā)出固定頻率的電磁場附近獲得了能量并產(chǎn)生上電復(fù)位后，原本處于“休眠狀態(tài)”的標(biāo)簽被激活，并將含有自身種類識別碼標(biāo)志、制造商標(biāo)志等信息代碼調(diào)制到載波上經(jīng)卡內(nèi)天線發(fā)射出去，供讀卡器處理識別。該定位技術(shù)最典型的例子是LAND―MARC系統(tǒng)，該系統(tǒng)用活性參考標(biāo)簽Tag替代離線數(shù)據(jù)采集，其動態(tài)參考信息能夠?qū)崟r(shí)捕捉環(huán)境變化，提高定位精度和可信度?；钚詤⒖紭?biāo)簽Tag的應(yīng)用免去了每個(gè)測試點(diǎn)數(shù)百次的人工數(shù)據(jù)采集，且能更好地適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境的波動，提高定位精度。該項(xiàng)技術(shù)的定位精度在很大程度上與設(shè)備的數(shù)量和分布有關(guān)，并要求有與之相配套的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。
基于接收信號強(qiáng)度(RSSI)定位技術(shù)，并根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)收到的信號強(qiáng)度，計(jì)算出信號的傳播損耗；利用理論與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離，再計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。目前很多控制芯片都具有測量RSSI的功能，無需添加額外的硬件設(shè)備來進(jìn)行精確的時(shí)間同步和角度測量，降低了成本，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性良好。因此該項(xiàng)技術(shù)已成為室內(nèi)定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

2 CC2431定位系統(tǒng)
CC2431是TI公司推出的針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBeeTM／IEEE 802．15．4應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。其內(nèi)部集成了CC2420射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核、128 KB Flash ROM和8 KBRAM。由于CC2431可工作在4種工作模式下，且工作模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，因而能夠滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。CC2431的主要性能特點(diǎn)如下：
(1)定位引擎能精確計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置；
(2)具有高性能低功耗的8051控制器核；
(3)集成符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz RF無線收發(fā)機(jī)(具有工業(yè)級領(lǐng)先的CC2420射頻內(nèi)核)；
(4)優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能；
(5)128 KB可編程閃存；
(6)8 KB RAM，4 KB帶所有功耗模式數(shù)據(jù)保持功能；
(7)強(qiáng)大的DMA功能；
(8)極少的外部元器件；
(9)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)僅需單一晶體；
(10)低電流損耗(微控制器運(yùn)行于32 MHz時(shí)，接收和發(fā)射分別為27 mA和25 mA)；
(11)休眠模式時(shí)僅0．9μA電流損耗，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；
(12)待機(jī)模式下小于O．6μA電流損耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；
(13)低功耗模式與主動模式之間的快速切換保證了低占空比系統(tǒng)的超低平均功耗；
(14)硬件支持CSMA／CA功能；
(15)較寬的電壓范圍(2．O～3．6V)；
(16)數(shù)字化的RSSI／LQI支持；
(17)具有電池監(jiān)測和溫度傳感器；
(18)多達(dá)8路輸入的8～14位模／數(shù)轉(zhuǎn)換；
(19)集成AES一128安全協(xié)處理器；
(20)帶有兩個(gè)功能強(qiáng)大的支持多組協(xié)議的USART；
(21)支持硬件調(diào)試；
(22)集成看門狗定時(shí)器；
(23)具有1個(gè)符合IEEE 802．15．4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和兩個(gè)8位計(jì)時(shí)器；
(24)21個(gè)普通I／O引腳，其中兩個(gè)具有20 mA驅(qū)動能力；
(25)強(qiáng)大靈活的開發(fā)工具。
2．1 CC2431定位引擎的操作
CC2431的定位引擎采用基于接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)的距離定位方法，根據(jù)接收信號強(qiáng)度及已知參考節(jié)點(diǎn)位置，準(zhǔn)確計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端，與集中型定位系統(tǒng)相比，進(jìn)行分布節(jié)點(diǎn)定位，以減少網(wǎng)絡(luò)通信量和網(wǎng)絡(luò)通信延遲。CC2431的定位引擎操作流程如圖1所示。