基于ZigBee的无线定位系统设计

基于ZigBee的无线定位系统设计The Design of Wireless Location System Based on ZigBee Technology

detection of the nodes' position.

Key words：LabVIEW ZigBee CC2430/CC2431 Wireless location Serial data analysis 1 引言

随着通信技术的发展，无线通信网络得到越来越广泛的关注。其中，基于I EEE 802.15.4的Zig Bee技术具有功耗低、可靠性高、时延短、网络容量大、安全性等特点。以CC2430/CC2431芯片为核心的无线定位系统以其低成本、高分辨率（0.25m）和非常高的定位精度（小于3m）广泛的应用于矿井定位、无线跟踪等领域。

2 ZigBee无线定位单片机CC2430/CC2431

Z i g B e e是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，是一种介于无限标记和蓝牙之间的技术提案。Zig Bee的基础是I EEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（Personal Area Network, PAN）工作组的一项标准，被称作I EEE 802.15.4（ZigBee）技术标准。

CC2430/CC2431产品家族是世界上首个真正的单芯片ZigBee解决方案，是第一个真正意义上的SoC ZigBee一站式产品，并有芯片可编程闪存以及通过认证的ZigBee TM协议栈，所有都集中在一个硅片内。CC2430/CC2431仅需采用较少的外围电路即可组成无线高频模块，实现信号的收发功能。

C C2430和C C2431的最重要的区别在于CC2431比CC2430多一个无线定位跟踪引擎，此引擎用于计算无线网络中定位节点的位置。

CC2430/CC2431芯片的主要特点如下：

（1）高性能和低功耗的8051微控制器核；

（2）集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的

RF无线电收发机；

（3）优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；

（4）在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0.6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统；

（5）硬件支持CSMA/CA功能；

（6）较宽的电压范围（2.0~3.6 V）；

（7）数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA 功能；

（8）具有电池监测和温度感测功能；

（9）集成了14位模数转换的ADC；

（10）集成AES安全协处理器；

（11）带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合I EEE 802.15.4规范的MAC 计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；

（12）ZigBee/802.05.4全兼容的硬件层、物理层；

（13）集成1个高精度的定位跟踪引擎。

3 ZigBee无线定位系统工作原理

在CC2430/CC2431组成的无线定位网络中，包括网关、参考节点以及定位节点三大部分。其中，网关负责整个定位无线网络服务和协调；参考节点为已知位置的节点，由系统初始化其固定不变的物理位置；定位节点是位置随时变化的需要进行定位的移动节点，

CC2431具体位置由CC2431的定位引擎通过接收参考节点的信号强度值经过定位算法而得到。其原理为：假设已知发射节点的发射信号强度, 接收节点根据接收信号的强度, 计算出信号的传播损耗，然后利用信号传播理论和信道经验模型计算出距离，通过利用三边测量法或者三角测量法最终计算出节点的位置，该节点定位算法需要多个参考节点。根据该算法 CC2431可以根据已知位置的参考节点计算出其余定位节点的坐标。定位估计需要3~8个参考节点, 最高定位精度可达0.5m，定位区域为64m×64m，定位响应时间少于40μs。而且CC2431通过无线定位跟踪引擎硬件定位计算，消耗非常少的CPU资源。

定位引擎的定位过程为：使能定位引擎，定位节点读取各个参考节点的坐标（X、Y）值，然后读取其他标准参数（A值、N值、RSSI值），然后进行硬件的定位计算，最后输出定位节点的定位坐标，关闭定位引擎。

标准参数中：A值为距离发射机（C C2430/ CC2431）1m远的RSSI绝对值；N值为距离发射机每增加1m衰减的RSSI绝对值；RSSI为CC2430/ CC2431信号强度，单位为dBm。

4 ZigBee无线定位系统硬件设计

本系统主要由主机、网关、参考节点和定位节点组成。主机是计算机，在主机上运行相关界面化软件，便于进行系统的建立和观测；网关采用CC2430芯片为核心，与相关外围电路组成无线高频模块，用于实现无线数据的收发，在每个区域中，网关充当协调器的角色，通过RS232串口与主机进行通信，接收主机信息后无线发送给各个节点并将节点信息传送给计算机；参考节点也采用CC2430设计，在网络中充当路由器的角色，并且在定位系统中，由用户设定其固定的坐标，以此为定位节点提供该坐标和RSSI平均值；定位节点采用CC2431芯片为核心，其内部比CC2430芯片多一个定位引擎，可以根据参考节点提供的固定坐标和RSSI平均值计算出自身的坐标值，并把该坐标值和定位节点的节点标志号发送给网关。

无线网络进行无线通讯的核心即无线高频模块，网关、参考节点、定位节点均由CC2430或CC2431与相关的外围电路组成无线高频模块以进行组网和数据的收发。

另外，网关、参考节点、定位节点均通过便携式的两节CR2430电池进行供电。

5 ZigBee无线定位系统软件设计

本ZigBee 系统以TI 提供的免费协议栈ZigBee 2006协议栈为基础，采用基于C/C++的I AR Em-bedded Workbench 应用开发工具开发、编译和调试程序，用CC2430/CC2431芯片公司Chipcon/TI 提供的SmartRF04Prog 软件修改芯片物理地址和下载程序。通过LabVIEW 编写图形化程序对串口数据进行分析，以实现ZigBee 无线定位系统系统启动示警、参数修改、参考节点和定位节点的初始化、实时图形显示节点位置等功能。

将程序下载到各节点后，定位系统的网络建立和功能实现均通过基于LabVIEW 的串口分析监控软件实现。

LabVIEW 系统监控软件流程图如图1所示。

图1 LabVIEW系统监控软件流程图

系统操作过程如下：首先，配置LabVIEW 的串口通道和波特率，运行LabVIEW 程序，然后将网关和参考节点上电，LabVIEW 系统监控软件会首先判断系统是否建立，若建立则表示系统建立的绿灯被点亮。其次，LabVIEW 系统监控软件检测系统中的参考节点，将其地址值显示在界面上，用户手动为每个参考节点配置X 、Y 值，配置成功后，参

考节点的位置就以绿色节点的形式显示在界面右侧的坐标图上。然后，上电定位节点，定位节点的地址值也将显示在界面上，用户手动配置系统的A 、N 值和最小参考节点数目，配置成功后定位节点就可以实时的显示在界面右侧的坐标图上。LabVIEW 系统监控软件界面如图2所示。

图2 LabVIEW系统监控软件界面

6 系统性能分析和总结

为了验证系统对实时性和准确性的要求，本系

统对节点通讯距离、

定位精度、系统的响应时间进行了测试，调试过程中使用串口调试工具进行实时数据观测，并通过精确测量距离进行精度验证，见表1。

表1 系统性能分析统计表

测试项目测试次数测试结果节点通讯距离10060m 定位精度1000.7m 系统响应时间

100

0.8s

系统测试条件为：3个已知位置的参考节点，通过LabV I EW 系统监控软件设定其坐标分别为（10，70）、（10，70）、（70，70）；3个定位节点；A 取值为39dBm ，N 取值为16dBm 。

运行结果如图3所示。

综上所述，基于ZigBee 的无线定位系统具有连接速度快、网络结构清晰、系统耗电量低、可靠性高、便于监控管理等优点。

7 结束语

Z ig B e e 技术是随着工业自动化对数据的传