基于ZigBee的无线定位系统设计

31中国仪器仪表CHINAINSTRUMENTATION2011年第4期工业无线本期主题国鑫霍凯刘玉琳（北京交通大学，北京100044）摘要：ZigBee无线定位技术以其低成本、低功耗、低速率和定位精度高等特点在工业无线定位等方面得到广泛应用。介绍ZigBee无线定位系统的工作原理、硬件设计、软件设计和网络组成，并通过LabVIEW系统监控软件，实现了定位网络中参考节点和定位节点的初始化以及图形化的位置检测。关键词：LabVIEWZigBee技术CC243/CC2431无线定位串口数据分析Abstract：Becauseofthelow-cost,low-power,low-speedandhighpositioningaccuracy,ZigBeewirelesslocationtechnologyhaswiderangeofapplicationintheindustrial.AZigBeewirelesslocationsystemstheory,hardwaredesign,softwaredesignandnetworkcomponentsare0introduced,andthroughtheLabVIEWsystemmonitoringsoftware,achievedtheinitializationofthereferencenodesandblindnodesaswellasthegraphicaldetectionofthenodes'position.Keywords：LabVIEWZigBeeCC2430/CC2431WirelesslocationSerialdataanalysis1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IEEE802.15.4的ZigBee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。2ZigBee无线定位单片机CC2430/CC2431ZigBee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。ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（PersonalAreaNetwork,PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4（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SoCZigBee一站式产品，并有芯片可编程闪存以及通过认证的ZigBeeTM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。CC2430和CC2431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32CHINAINSTRUMENTATION2011年第4期工业无线本期主题无线电收发机；（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（2.0~3.6V）；（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IEEE802.15.4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。3ZigBee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（CC2430/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。4ZigBee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。33中国仪器仪表CHINAINSTRUMENTATION2011年第4期工业无线本期主题协议栈为基础，采用基于C/C++的IAREm-beddedWorkbench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。开始读取串口数据分析串口数据判断系统是否建立绿灯熄灭绿灯亮判断接收到的是参考节点信息还是定位节点信息定位节点信息参考节点信息将各个定位节点信息显示在界面上将各个参考节点信息显示在界面上发送查看定位节点配置数据命令发送查看参考节点配置数据命令发送参考节点配置信息、定位节点配置信息等判断是否发送配置信息是是否否图1LabVIEW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2LabVIEW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1000.8s系统测试条件为：3个已知位置的参考节点，通过LabVIEW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ZigBee技术是随着工业自动化对数据的传34CHINAINSTRUMENTATION2011年第4期工业无线本期主题输要求而产生和发展的，ZigBee网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛用于自动化领域。ZigBee定位系统功耗低、响应时间短、成本低、定位精度高，在定位领域上仍有较大的开发和应用的空间。基于LabVIEW的系统监控软件运行速度快、可靠性高，界面设计更加人性化，为无线定位系统的运行提供了可靠的保证。参考文献1李文仲,段朝玉等.ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M].北京:北京航天航空大学出版社,2008,1.2金纯,罗祖秋等.技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社,2008,1.3封福东,何加铭.ZigBee无线定位跟踪系统设计[J],杭州电子科技大学学报,2008.28(5).4夏芮沛,翟超,方俊伟.ZigBee无线定位系统[J].机电一体化,2008.7.5Chipcon.CC2431DataSheet.Chipconcorporation[Z].作者简介：国鑫，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置。图3系统运行结果第十届“工业自动化与标准化”研讨会将于2011年5月24~25日，在北京-中国职工之家饭店召开。本次研讨会将以高端智能装备中测控技术与应用为主题，围绕企业系统中的设备与集成、工业控制网络、测控设备和工业自动化中的能效等四个板块展开研讨。2011年正值我国“十二五”发展计划开局之年，是我国高端智能装备向先进制造技术、信息技术和人工智能技术集成方向发展的关键时期。为有助于研究院所、企业、用户更加深刻地了解国家有关政策，使我国装备制造业向自动化、智能化、信息化、精密化、绿色化迈进，提高其市场竞争力，主办单位全国工业过程测量和控制标准化技术委员会（SAC/TC124）秘书处将邀请国家有关主管部门领导向与会代表解读《国家“十二五”纲领计划对自动化和智能化与高端智能装备及基础制造装备发展趋势的影响》。同时，IEC/TC65主席及秘书长也将亲临现场，介绍国际自动化领域的最新信息和未来发展趋势。为使与会代表更加形象深刻地了解目前高端智能装备中测控技术与应用，研讨会会场特别开辟系统展示专区和论文张贴专区，