CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要介紹一種基于技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以82431無(wú)線定位引擎為核心,結(jié)合Z”B“參考節(jié)點(diǎn)的無(wú)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(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗、高精度的設(shè)計(jì)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(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的稀求日益增大，尤其在紀(jì)雜的室內(nèi)環(huán)境，如機(jī)場(chǎng)大廳、展廳

2、、倉(cāng)庫(kù)、超市、圖書館、地下停車場(chǎng)等環(huán)境中，常常需要確定移動(dòng)終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置。但是受定位時(shí)間、定位精度以及室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術(shù)目前還無(wú)法很好地利用ZicB。是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它最顯著的特點(diǎn)是低功耗和低成本。利用以小技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，且信號(hào)傳輸不受視距的影響.1 相關(guān)核心技術(shù)概述1.1 ZirBee技術(shù)概述ZicBee技術(shù)1是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)率、低復(fù)雜度的雙向無(wú)線通信技術(shù)，它是基于IEEB802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的無(wú)線蚱議。網(wǎng)絡(luò)層以上為議由ZitBee聯(lián)盟制定，IEER802.15.4負(fù)

3、貨物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZUBee出議套件由應(yīng)用層、應(yīng)用架構(gòu)層、網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層應(yīng)用架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(gè)，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段以及美國(guó)的915MHz頻段，不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個(gè)。中國(guó)采用2.4GHz頻段，它是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的多段；采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)DSSSCDinctSequenceSpreadSpectrum）傳輸距離介于1075m（增加RF發(fā)射功率，可達(dá)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(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型.樹(shù)型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)。1. 2RSSI定位技術(shù)RSSI2(ReceivedSignalStrengthIndicator,接收信號(hào)艱度指示)是指節(jié)點(diǎn)接收到的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度大小.在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的定位中，己知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度,接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的打法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置.該技術(shù)硬件要求較低、打法相對(duì)簡(jiǎn)單，在實(shí)驗(yàn)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(shí)際應(yīng)用中往往還需要改進(jìn).接收信號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度RSS1理論值可由式(1)表示：RSSI=-(10n-IgdM)(1)其中，n代表信號(hào)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(shí)的接收信號(hào)頰度.信號(hào)的衰減與距離成對(duì)數(shù)衰減的關(guān)系。節(jié)點(diǎn)到信號(hào)源的距離越近,由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對(duì)距禽誤差趨小，而當(dāng)距離大于某一值時(shí),由RSSI波動(dòng)造成的絕對(duì)距離誤差將會(huì)很大.一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)可能收到n個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，所以應(yīng)當(dāng)采用RSSI值大的前幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，這樣可以避免定位誤差獷大。2 ZigBce技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位的優(yōu)勢(shì)(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(shè)得非常省電。Zi蜘設(shè)備僅能2節(jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，其功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他無(wú)線設(shè)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(fèi)的.(3)時(shí)延短通佶時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15mso因此ZigBec技術(shù)適用于對(duì)實(shí)時(shí)定位要求較高的應(yīng)用.(4)網(wǎng)絡(luò)容量大一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBcc網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備,組網(wǎng)

7、方式靈活，隨若ZigBce技術(shù)的成熟，未來(lái)ZigBcc設(shè)名不斷加多，可以利用具有ZigReeRF的設(shè)備或基礎(chǔ)設(shè)施，容易組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，降低了ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和蛆網(wǎng)成本,且利用更多的ZigBee設(shè)備可以達(dá)到更高的定位精度。3 室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng)由盲節(jié)點(diǎn)(即待定位V.點(diǎn))和參考節(jié)點(diǎn)組成，為了便于用戶獲得位置信息，還需整一個(gè)與用戶進(jìn)行交互的控制終端和一個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.ZigBcc無(wú)線M絡(luò)圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)知道自己的位置并可以將其位置通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他節(jié)點(diǎn)。白節(jié)點(diǎn)從參考節(jié)點(diǎn)處接收數(shù)據(jù)包信號(hào),獲得參考節(jié)

8、點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值并將其送入定位引擎,然后可以讀出由定位引擎計(jì)算得到的自身位置，由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送給自節(jié)點(diǎn)的數(shù)施包至少包含參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)水平位置X和豎直位置Y,而RSSI值可由接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算獲得，一般來(lái)說(shuō)參考節(jié)點(diǎn)越多越好,要得到一個(gè)可靠的定位坐標(biāo)至少需要3個(gè)參考節(jié)點(diǎn).如果參考節(jié)點(diǎn)太少，節(jié).點(diǎn)間影響會(huì)很大，得到的位置信息就不精確，誤差大。對(duì)于烈經(jīng)1，要得到好的定位精度，需要8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)；如果得不到8個(gè)節(jié)點(diǎn)，則應(yīng)該使用盡可能多的節(jié)點(diǎn).更辿的無(wú)線定位引擎可以處理最高達(dá)64m的X、Y值.為了收集計(jì)算褥到的數(shù)據(jù)和與無(wú)線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)交互，特定的控制系統(tǒng)是必需的。一個(gè)典型的控制單元是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，然而一個(gè)

9、PC沒(méi)有一個(gè)嵌入的無(wú)線接收器，因此接收器帚要從外部接入，還需要一個(gè)ZigBeo網(wǎng)關(guān)。ZigB6網(wǎng)關(guān)的作用就是將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到控制終端，所有位置計(jì)算都由盲節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以控制終端不需要具備任何位置計(jì)算功能。它的唯一目的是讓用戶和無(wú)戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，比如獲得日節(jié)點(diǎn)的位宣信息。3.2CC2431芯片簡(jiǎn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要.CC2431的定位引擎基于RSSI技術(shù),根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度與已知參考節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確計(jì)算出有關(guān)節(jié)點(diǎn)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(kuò)須(DSSS)射頻收發(fā)器核心和增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器組成,是帶有128KB閃存的8051內(nèi)核ZigBee無(wú)線單片機(jī)，并帶有定位跟蹤引擎.區(qū)組L的設(shè)計(jì)結(jié)合了8KB的RAM及強(qiáng)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(lái)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(biāo)準(zhǔn)技術(shù).針對(duì)協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件執(zhí)行時(shí)對(duì)MCU處理能力的要求，CC2431包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)行的時(shí)鐘頻率為32MHz。四垃L還包含一個(gè)D皿控制器，它能夠被用于減輕80

11、51微控制器內(nèi)核對(duì)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(gè)無(wú)需阻抗匹配電路的折疊式偶極子PCB天線。圖3中，XTAL1為一個(gè)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(hù)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(wàn)

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(hào)H OC17W SVTHy -pusx22pFX2IF國(guó)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(shì)是：速度快、精度高，不占用處理器時(shí)間.該定位引擎的主要特點(diǎn)如下x定位估計(jì)算法第38個(gè)參考節(jié)點(diǎn),定位估計(jì)以0.5m為單位計(jì)笄節(jié)

13、點(diǎn)位置耗時(shí)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(jì)算方法，該方法使用已知參考節(jié)點(diǎn)的RSSI信息定位.在節(jié)點(diǎn)上分布式定位計(jì)算可避免集中計(jì)算方法帶來(lái)的大量網(wǎng)絡(luò)傳輸與通信延遲問(wèn)題.定位引擎操作流程3如圖4所示.在定位引擎運(yùn)行之前,必須使能定位引擎寄存LO2CBNG的第4位LOCENG.EN.當(dāng)要停止定位引擎運(yùn)行時(shí),應(yīng)往LOCBXC.EN寫入。關(guān)斷引擎的時(shí)鐘信號(hào),以降低堡典的功耗。對(duì)定位引擎的操作，主要就是對(duì)與定位引擎有關(guān)的寄存器的操作。定位引擎運(yùn)行時(shí)需要輸入38個(gè)參考坐標(biāo).參考坐標(biāo)是以w為單位的，它表示各個(gè)畬考節(jié)點(diǎn)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(biāo)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(biāo)將要被寫入.一旦坐標(biāo)寫入過(guò)程開(kāi)始(L02CBNC.REFIM1),8對(duì)坐標(biāo)必須一次性寫入.當(dāng)定位引擎使用少于8個(gè)參考坐標(biāo)時(shí),要將未用的參考坐標(biāo)寫入0.0。4定位區(qū)域的擴(kuò)展定位引擎可以處理最高達(dá)64m的X、Y值,更準(zhǔn)確地說(shuō)是63.75叫但是這個(gè)區(qū)域?qū)?shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)顯得太小,因此擴(kuò)展區(qū)域非常必要可以通過(guò)軟件預(yù)處理算法來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)用2個(gè)字節(jié)代表X、Y因?yàn)榫葹?.25垢因此最大范圍為16384m(214=16384)。圖5是用預(yù)處理算法進(jìn)行區(qū)域擴(kuò)展的示意圖。圖5擴(kuò)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(gè)參考節(jié)點(diǎn)，虛環(huán)中間的白色節(jié)點(diǎn)為百節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)。第1步，確定具有最高RSSI值的一個(gè)節(jié)點(diǎn)并計(jì)算一個(gè)補(bǔ)償值，使之“移動(dòng)”到64mX64m范困的中心.由于已知來(lái)自此節(jié)點(diǎn)的RSSI值,所以到此節(jié)點(diǎn)的距離很容易得到；第2步，確定除“最強(qiáng)”節(jié)點(diǎn)之外的其他使用節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)用第1步中的補(bǔ)償值進(jìn)行修正；第3步，所有獲得值送入定位引擎，讀出由其計(jì)算得到的位置；最后一步，將補(bǔ)償值添加到計(jì)算得到的位置中，完成這些計(jì)算