zigbee定位

基于Zigbee的校园个人安全保障系统（南京农业大学工学院电气工程系yesen_2008@）摘要;针对传统的安全监控方式不能及时发出报警求救信号，贻误最佳救援时间情况，提出了利用zigbee 无线传感网的定位功能，结合嵌入式技术，开发一套具有实时性强，功耗低，操作简捷的安全监测系统的方案，并成功实现该项功能。

本文介绍了基于CC2430和CC2431芯片组建的MESH型网络在校园内实现定位功能的应用及如何结合电子地图，在嵌入式终端设备显示定位信息的过程。

关键词：zigbee网络；定位技术；安防系统；嵌入式系统；CC2431；A ZigBee -based personal security system in campus Abstract:In traditional safety monitoring way cannot immediately send out a warning signal for help, delay thebest relief time situation, proposed the use of zigbee wireless sensor network positioning function, combined with embedded technology, the development of a powerful real-time performance, low power consumption, simple operation of the safety monitoring system scheme, and achieve the function. This paper introduces the CC2430 and CC2431 chips based on a MESH type in the campus network positioning of the application and realization function how to combine the electronic map, in embedded terminal positioning information that the process.Keywords: Zigbee network；positioning technology；security system；Embedded system；CC24310.引言传统的安全监测系统通常只能是在安全事件发生之后，为安全事件提供监控视频或音频的资料，而不能对突发事件做出及时快速的反应，经常错过最佳的救援时间。

此外，在校园、小区等建筑物较多，环境较复杂的区域，快速准确的确定事发地点的空间位置可以帮助安保人员迅速的赶到事发地点，能将安全事件造成的损失降到最低。

基于Zigbee技术的无线定位系统则能很好的解决上述问题。

Zigbee技术是基于IEEE 802.15.4协议而建立用于解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备的联网应用。

ZigBee采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)技术。

功耗更低，以一般电池而言，ZigBee产品可使用数月至数年之久。

强大的设备联网功能主要支持三种自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh) 和簇状结构(Cluster tree)。

特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

传输速率为20 k～250 kbps，点对点传输距离在70~100m之内。

1.系统功能该系统的定位功能是利用事先在校园中组建好的Zigbee网络，监控校园内具有网络覆的盖区域内人员安全状态。

当有意外情况发生时，求救者将随身携带的求救信号发生器（RFD设备）打开，发出求救信号。

嵌入式手持终端设备接收到求救信号后，发出报警声，提示安保人员有意外情况发生，并将求救者的实际位置以闪烁的亮点显示在电子地图上，并显示距其最近的参考节点。

安保人员通过查看嵌入式终端的显示屏，可以实时的监测到求救者的实际位置，并采取相应的救援措施。

在赶往事发地点的同时，随身携带嵌入式手持终端设备，实时获取求救者位置的变化情况，从而实施有效的救援方案。

2.定位原理：目前利用ZigBee技术实现定位功能有基于测距技术和非测距技术，基于非测距技术的定位算法主要有：质心法，凸规划定位算法；距离矢量跳数的算法；基于测距技术的定位算法主要有TOA、AOA、TDOA和RSSI；每种定位算法所能适应的环境不同，应根据实际情况进行选择。

TI公司提出带硬件定位引擎的片上系统(SoC)解决方案CC2431基于接受信号强度指示RSSI(received signal strength indicator)技术,在典型应用中可实现0.25m 的分辨率。

本系统采用了基于RSSI和LQI距离测量方法。

本系统是在CC2431片上定位引擎和Z -STACK协议栈的基础上，进行了基于CC2431定位系统的设计与实现。

RSSI(reeeive signalstrength indieator)表示信号强度指示，是真实的接收信号强度与最优接收功率等级间的差值。

LQI(1ink quality indieator)是链路质量指示,表征接收数据帧的能量与质量。

LQI值越大说明链路质量越好。

RSSI值和LQI值在ZigBee收发模块每接收一个数据帧时都可以得到。

及时反映信号强度变化和受到干扰变化LQI的动态范围比RSSI大,有更高的分辨率。

无线信号传输中普遍采用的理论模型－Shadowing模型，如式（1）：[Pr(d)]dBm=[Pr(d0)]dBm-10nlg(d/d0)+X dBm(1)在本系统实际的应用中，使用简化了的Shadowing模型，如式（2）：(2)n: 信号传播常量，也称作信号传播系数，单位：dBm/md: 到信号源的距离，单位：mA: 距离信号源1m处接收信号强度，单位：dBmCC2431 片上定位引擎CC2431 的定位引擎采用基于接收信号强度指示(RSSI)的距离定位方法,根据接收信号强度和参考节点的坐标位置计算出待定位节点的坐标, 然后将计算得到的位置信息发送给网络终端,完成定位。

定位引擎需要个参考节点的坐标［x0，y0，x1，y1，…,x7，y7］作为输入参数。

参考节点坐标表示参考节点的位置是在［0，63.75］的范围内。

可以通过软件编程来实现实际定位距离的拓展。

拓展后的参考节点x，y坐标范围为［0,16384.75］，实现了更远距离的通信。

3.系统结构3.1硬件结构：系统的硬件部分由两大部分组成，一部分是Zigbee通信网络构成，另一部分是嵌入式手持终端（也称作PDA）构成。

（见图1）网络部分是由协调器（也称作网关），参考节点和盲节点组成。

其中协调器和参考节点都采用TI公司生产的CC2430芯片和相应的外围电路构成；盲节点则采用TI公司生产的CC2431芯片，该芯片除了具有CC2430芯片的全部硬件功能之外，还增加了“定位引擎”，大大简化了软件编程的复杂度，提高了定位运算的速度。

嵌入式手持终端是采用广州友善之臂计算机科技有限公司生产的Tiny6410开发板，，Tiny6410 是一款以ARM11芯片(三星S3C6410)作为主处理器的嵌入式核心板，该CPU 基于ARM1176JZF-S 核设计，内部集成了强大的多媒体处理单元，支持Mpeg4, H.264/H.263等格式的视频文件硬件编解码，可同时输出至LCD和TV显示；它还并带有3D图形硬件加速器，以实现OpenGL ES 1.1 & 2.0 加速渲染，另外它还支持2D图形图像的平滑缩放，翻转等操作，为电子地图的开发提供优良的硬件平台。

开发板采用5V供电，在板电压转换芯片实现CPU 必需的各种核心电压转换，通过排针，引出各种常见的接口资源，供二次开发使用。

报警系统的软件的开发就是基于该硬件平台开发的，该板自带4.3寸LCD电阻式触控显示屏，用来实现显示网络信息和操作监控系统软件的功能。

3.2软件设计：Zigbee网络中的协调器承担了发起网络，组建和管理网络，维护网络并与嵌入式终端通信的任务。

图2为协调器组建网络，实现定位功能的事件序列流2程。

参考节点是网络的主体，通常是按照一定的距离要求，根据实际的环境布置在校园区域内，组成无线通信网络，为在其有效覆盖范围内的盲节点提供所需的定位信息。

打开电源之后，参考节点即向协调器发送请求加入网络的信息，并报告自己的配置信息；当有盲节点发来请求时，即处理盲节点的请求信息。

图3为参考节点程序流程图。

盲节点是随身携带的设备（RFD），电池供电。

遇到突发情况时，打开设备上的电源开关，只要是在Zigbee网络的覆盖区域内，立即向周围节点广播请求25个数据包，以获得RSSI强度。

然后发送XY—RSSI请求，根据周围节点响应的信息，计算出当前自身所处坐标，将包含此坐标的信息和临近参考节点的坐标组成数据帧发送到协调器。

图4为盲节点的自动模式下，定位功能的程序流程图。

嵌入式终端软件是基于linux操作系统，在Qt开发环境中进行图形界面设计而成的。

以传递消息的方式实现人机交互的过程；操作者对软件的每一个操作，都会以消息的方式排列在消息队列中，等待操作系统处理。

该软件主要是将串口数据进行处理，结合电子地图，显示在LCD触摸屏幕，并发出相应的提示。

4.实验结果及分析：在长度为383m，平均宽度为6.7m的道路上，布置了9个节点。

通过反复测量计算，确定在该环境下的A值为43.333，查表取43；n值为3.368，查表得到n=3.375,对应n_index=16。

被测各点图上坐值与实际坐标值见下表，测量坐标是取五次测量值的平均值后四舍五入得到的。

112;129112;129 （0, 0）0%105;134107;134 (2, 0) 1.17%102;138104;137 (2,-1) 1.30%100;14099;140 (-1,0)0.58%92;14993;150 (1, 1)0.81%88;15787;156 (-1,-1)0.79%85;16386;158 (1,-5) 1.33%78;17083;165 (5,-5) 3.78%从表中可以看出，平均定位误差在2.57m。

造成定位误差主要有以下三个因素：1)参考节点实际位置与地图坐标位置有误差；2)实际环境中有障碍物的阻挡，对信号有较明显的衰减作用，信号强度值测量受干扰；3)参考节点在实际环境中往往不在严格的同一平面上，造成距离计算上的误差。

5.结语本文针对CC2430和CC2431无线传感网络IEEE802.15.4协议的片上系统解决方案进行开发，实现了校园环境内的无线传感网络定位，并且与嵌入式技术相结合，是一项在小范围内开放环境应用的实例，可为后续研究者提供参考。