CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)設計

1、CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)設計CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)設計摘要介紹一種基于技術的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設計以82431無線定位引擎為核心,結(jié)合Z”B“參考節(jié)點的無線室內(nèi)定位系統(tǒng)，闡述系統(tǒng)的構(gòu)成和定位引擎的工作原理，討論系統(tǒng)硬件電路。該定位系統(tǒng)實現(xiàn)了低成本、低功耗、高精度的設計要求.廣告插播信息雒原最新熱賣芯片:8A4134UA0PA4227UAIRF7807VMC14070BCL74HC4040HH1P2100：BZPACVGA2Q1QSN75C188DBU2520DFAD7715ANZ-5引青隨著數(shù)據(jù)業(yè)務和多媒體業(yè)務的快速增加，人們對定位與導航的稀求日益增大，尤其在紀雜的室內(nèi)環(huán)境，如機場大廳、展廳

2、、倉庫、超市、圖書館、地下停車場等環(huán)境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內(nèi)的位置。但是受定位時間、定位精度以及室內(nèi)復雜環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術目前還無法很好地利用ZicB。是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它最顯著的特點是低功耗和低成本。利用以小技術實現(xiàn)定位具有低成本、低功耗的優(yōu)點，且信號傳輸不受視距的影響.1 相關核心技術概述1.1 ZirBee技術概述ZicBee技術1是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)率、低復雜度的雙向無線通信技術，它是基于IEEB802.15.4標準開發(fā)的無線蚱議。網(wǎng)絡層以上為議由ZitBee聯(lián)盟制定，IEER802.15.4負

3、貨物理層和鏈路層標準。完整的ZUBee出議套件由應用層、應用架構(gòu)層、網(wǎng)絡層以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層等蛆成，協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示.ZigBcc 或 OEMZigBcc聯(lián)盟應用層應用架構(gòu)網(wǎng)絡層媒體訪何控制層MAC物理層PHY圖1ZitBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段以及美國的915MHz頻段，不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。中國采用2.4GHz頻段，它是免申請和免使用費的多段；采用直接序列擴頻技術DSSSCDinctSequenceSpreadSpectrum）傳輸距離介于1075m（增加RF發(fā)射功率，可達500）：傳輸速率為20

4、、250kb/s,適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸Zi的技術具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型.樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)。1. 2RSSI定位技術RSSI2(ReceivedSignalStrengthIndicator,接收信號艱度指示)是指節(jié)點接收到的無線信號強度大小.在基于接收信號強度指示RSSI的定位中，己知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度,接收節(jié)點根據(jù)接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的打法計算出節(jié)點的位置.該技術硬件要求較低、打法相對簡單，在實驗室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性;但由于環(huán)境因素變化的原因,在實際應用中往往還需要改進.接收信號強度是發(fā)射功

5、率和發(fā)射器與接收器間距離的函數(shù)。接收信號強度RSS1理論值可由式(1)表示：RSSI=-(10n-IgdM)(1)其中，n代表信號傳播常做，也叫傳播指數(shù)：d代表距發(fā)射器間的距肉；A代表距離1m時的接收信號頰度.信號的衰減與距離成對數(shù)衰減的關系。節(jié)點到信號源的距離越近,由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距禽誤差趨小，而當距離大于某一值時,由RSSI波動造成的絕對距離誤差將會很大.一個未知節(jié)點可能收到n個參考節(jié)點的信號，所以應當采用RSSI值大的前幾個參考節(jié)點進行定位計算，這樣可以避免定位誤差獷大。2 ZigBce技術實現(xiàn)定位的優(yōu)勢(1)功耗低由FZigBe。的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1曲，而且采用了休

6、眠模式，因此ZigBee設得非常省電。Zi蜘設備僅能2節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，其功耗遠遠低于其他無線設備。(2)成本低與GPS相比，定位引擎在單芯片ZigBeeRF收發(fā)器中與MCU集成在一起，成本不及GPS硬件的1/10,功耗也只是GPS硬件的一小部分，并且ZigBee怖議是免專利費的.(3)時延短通佶時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms,休眠激活的時延是15ms,活動設備信道接入的時延為15mso因此ZigBec技術適用于對實時定位要求較高的應用.(4)網(wǎng)絡容量大一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBcc網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和1個主設備,組網(wǎng)

7、方式靈活，隨若ZigBce技術的成熟，未來ZigBcc設名不斷加多，可以利用具有ZigReeRF的設備或基礎設施，容易組建ZigBee網(wǎng)絡，降低了ZigBee節(jié)點設計和蛆網(wǎng)成本,且利用更多的ZigBee設備可以達到更高的定位精度。3 室內(nèi)定位系統(tǒng)設計3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng)由盲節(jié)點(即待定位V.點)和參考節(jié)點組成，為了便于用戶獲得位置信息，還需整一個與用戶進行交互的控制終端和一個ZigBee網(wǎng)關，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.ZigBcc無線M絡圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖參考節(jié)點是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點，這個節(jié)點知道自己的位置并可以將其位置通過發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他節(jié)點。白節(jié)點從參考節(jié)點處接收數(shù)據(jù)包信號,獲得參考節(jié)

8、點位置坐標及相應的RSSI值并將其送入定位引擎,然后可以讀出由定位引擎計算得到的自身位置，由參考節(jié)點發(fā)送給自節(jié)點的數(shù)施包至少包含參考節(jié)點的坐標參數(shù)水平位置X和豎直位置Y,而RSSI值可由接收節(jié)點計算獲得，一般來說參考節(jié)點越多越好,要得到一個可靠的定位坐標至少需要3個參考節(jié)點.如果參考節(jié)點太少，節(jié).點間影響會很大，得到的位置信息就不精確，誤差大。對于烈經(jīng)1，要得到好的定位精度，需要8個參考節(jié)點；如果得不到8個節(jié)點，則應該使用盡可能多的節(jié)點.更辿的無線定位引擎可以處理最高達64m的X、Y值.為了收集計算褥到的數(shù)據(jù)和與無線節(jié)點網(wǎng)絡交互，特定的控制系統(tǒng)是必需的。一個典型的控制單元是一臺計算機，然而一個

9、PC沒有一個嵌入的無線接收器，因此接收器帚要從外部接入，還需要一個ZigBeo網(wǎng)關。ZigB6網(wǎng)關的作用就是將無線網(wǎng)絡連接到控制終端，所有位置計算都由盲節(jié)點來實現(xiàn)，所以控制終端不需要具備任何位置計算功能。它的唯一目的是讓用戶和無戰(zhàn)網(wǎng)絡進行交互，比如獲得日節(jié)點的位宣信息。3.2CC2431芯片簡介CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引蒙的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案,能滿足低功耗ZigBee/IEEE802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡的應用需要.CC2431的定位引擎基于RSSI技術,根據(jù)接收信號強度與已知參考節(jié)點位置準確計算出有關節(jié)點位置,然后將位置信息發(fā)送給接收端。CC2431由2.4GHz直接

10、序列擴須(DSSS)射頻收發(fā)器核心和增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器組成,是帶有128KB閃存的8051內(nèi)核ZigBee無線單片機，并帶有定位跟蹤引擎.區(qū)組L的設計結(jié)合了8KB的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，它們是根據(jù)不同的閃存空間32KB、64KB和128KB來優(yōu)化熨雜度與成本的組合。CC2431.的尺寸只有7nnX7皿的48腳封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18umCMOS標準技術.針對協(xié)議棧、網(wǎng)絡和應用軟件執(zhí)行時對MCU處理能力的要求，CC2431包含一個增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內(nèi)核，運行的時鐘頻率為32MHz。四垃L還包含一個D皿控制器，它能夠被用于減輕80

11、51微控制器內(nèi)核對數(shù)據(jù)搬移的操作，因此提高了芯片整體的性能.系統(tǒng)基本硬件連接電珞如圖3所示。連接50Q單極天線的部分由電感和電容構(gòu)成，其中的電感LI、L2還為芯片內(nèi)部的抵噪聲放大器和功放提供出流偏置。也可采用一個無需阻抗匹配電路的折疊式偶極子PCB天線。圖3中，XTAL1為一個等效串聯(lián)電阻(ESR)<60G的32MHz晶振，R1為其建立精確的偏區(qū)電路，CKC2是去糧電容，用于電源濾波，向電壓調(diào)節(jié)器提供稔定的核心電壓。圖3中，CC231還提供了良好的接地保護功能，除了48引腳外，其芯片底層提供了AGND接地引腳，可以有效地抑制噪聲,減少電磁干擾，保證電路系統(tǒng)穩(wěn)定工作.2° 既f

12、20-3.6 VCC2431等卜寺n n n n 1 1八 n t PPPPPPDPP盟po.7n2LI.0I.IpavnoACk3Y mUCKLAV fEfoM bHd EZd c.ed redCKIACI 201USX COd 9S 筆 3K §ino o,多 號H OC17W SVTHy -pusx22pFX2IF國2ry,WnYl.Snir12nH圖3系統(tǒng)基本硬件連接電路3.3定位引擎操作流程圖4定位引擎操作流程區(qū)典的硬件定位引擎與軟件定位方法相比的優(yōu)勢是：速度快、精度高，不占用處理器時間.該定位引擎的主要特點如下x定位估計算法第38個參考節(jié)點,定位估計以0.5m為單位計笄節(jié)

13、點位置耗時少于40us：定位范圍為64m：定位偏差低于3=：定位引擎采用分布式計算方法，該方法使用已知參考節(jié)點的RSSI信息定位.在節(jié)點上分布式定位計算可避免集中計算方法帶來的大量網(wǎng)絡傳輸與通信延遲問題.定位引擎操作流程3如圖4所示.在定位引擎運行之前,必須使能定位引擎寄存LO2CBNG的第4位LOCENG.EN.當要停止定位引擎運行時,應往LOCBXC.EN寫入。關斷引擎的時鐘信號,以降低堡典的功耗。對定位引擎的操作，主要就是對與定位引擎有關的寄存器的操作。定位引擎運行時需要輸入38個參考坐標.參考坐標是以w為單位的，它表示各個畬考節(jié)點的位置,其數(shù)值位于。63.75,坡島精度為0.255以坡

14、低2位為小數(shù)部分,剩余6位為整數(shù)部分參考坐標存放于RF寄存器RBFC00RD中。在寫入RHFC00RD之前，寄存器L02CENG的第1位L0CENG.REFLD必須寫入，用于指示一組參考坐標將要被寫入.一旦坐標寫入過程開始(L02CBNC.REFIM1),8對坐標必須一次性寫入.當定位引擎使用少于8個參考坐標時,要將未用的參考坐標寫入0.0。4定位區(qū)域的擴展定位引擎可以處理最高達64m的X、Y值,更準確地說是63.75叫但是這個區(qū)域?qū)嶋H應用來說顯得太小,因此擴展區(qū)域非常必要可以通過軟件預處理算法來實現(xiàn)每個節(jié)點用2個字節(jié)代表X、Y因為精度為0.25垢因此最大范圍為16384m(214=16384)。圖5是用預處理算法進行區(qū)域擴展的示意圖。圖5擴展定位區(qū)域示意圖該圖所示的區(qū)域中，在X、Y方向上每隔30m放置一個參考節(jié)點，虛環(huán)中間的白色節(jié)點為百節(jié)點，其他節(jié)點為參考節(jié)點。第1步，確定具有最高RSSI值的一個節(jié)點并計算一個補償值，使之“移動”到64mX64m范困的中心.由于已知來自此節(jié)點的RSSI值,所以到此節(jié)點的距離很容易得到；第2步，確定除“最強”節(jié)點之外的其他使用節(jié)點，所有節(jié)點用第1步中的補償值進行修正；第3步，所有獲得值送入定位引擎，讀出由其計算得到的位置；最后一步，將補償值添加到計算得到的位置中，完成這些計算