基于ZigBee的集中式無線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韋 佳，劉煥強(qiáng)，顧曉峰，何 磊

(1.江南大學(xué)電子工程系輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122;2.中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇蘇州215123)

0 引言

ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗的無線通信技術(shù)，其名稱來源于蜜蜂用以傳遞信息的Z字型舞蹈。ZigBee技術(shù)的協(xié)議棧分層結(jié)構(gòu)中，MAC層和PHY層采用IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，上層協(xié)議則由ZigBee聯(lián)盟定義并進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。本文提出的集中式無線定位系統(tǒng)采用德州儀器(Texas Instruments)公司開發(fā)的Z-Stack(2006)協(xié)議棧，以支持ZigBee協(xié)議棧的CC2430芯片為核心搭建無線網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)工作在ISM(Industrial Scientific and Medical)免執(zhí)照的2.4 GHz頻段上，傳輸速率為250 Kb/s，并劃分為16個信道［1］?；赯igBee技術(shù)組建的無線網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)靈活、功耗低等優(yōu)點(diǎn)［2-3］，在當(dāng)前眾多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中具有極其重要的地位。

國內(nèi)外對基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)研究大多集中在優(yōu)化定位算法、提高定位精度上面［4-8］，鮮有針對復(fù)雜環(huán)境和特殊地域ZigBee無線定位系統(tǒng)的研究。傳統(tǒng)ZigBee定位系統(tǒng)當(dāng)?shù)赜蚩缍却蟆⒐?jié)點(diǎn)布局環(huán)境復(fù)雜時，需要大量中繼節(jié)點(diǎn)來保證網(wǎng)內(nèi)信息通暢［9］。針對傳統(tǒng)ZigBee定位系統(tǒng)存在的不足，提出的基于ZigBee的集中式無線定位系統(tǒng)將整個無線網(wǎng)絡(luò)分割成多個子網(wǎng)，子網(wǎng)關(guān)通過傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 (TCP/IP)協(xié)議實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)間通信，可顯著減少中繼節(jié)點(diǎn)個數(shù)，有效解決ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋限制問題，提高定位系統(tǒng)的工作效率。

1 無線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和框架

本無線定位系統(tǒng)主要由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)、增強(qiáng)型參考節(jié)點(diǎn)、移動終端節(jié)點(diǎn)和PC服務(wù)器組成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)僅用于無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和維護(hù)，在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后可關(guān)閉;參考節(jié)點(diǎn)接收移動終端節(jié)點(diǎn)信號并進(jìn)行上報(bào)和路由信號;增強(qiáng)型參考節(jié)點(diǎn) (子網(wǎng)關(guān))既具有普通參考節(jié)點(diǎn)的接收功能，又能匯集來自其它參考節(jié)點(diǎn)的信息，并通過串口上報(bào)至PC服務(wù)器;移動終端節(jié)點(diǎn)周期廣播信號給附近參考節(jié)點(diǎn);PC服務(wù)器匯總來自所有子網(wǎng)關(guān)的信息進(jìn)行集中處理，實(shí)現(xiàn)定位、報(bào)警等功能。

系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)如下:在由大量參考節(jié)點(diǎn)和增強(qiáng)型參考節(jié)點(diǎn)組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)對移動終端節(jié)點(diǎn)的位置追蹤，同時隨時接收移動終端節(jié)點(diǎn)主動發(fā)送的報(bào)警信號，作出相應(yīng)動作響應(yīng)。由于ZigBee協(xié)議傳輸距離短，若地域跨度大、環(huán)境復(fù)雜，在常規(guī)ZigBee布網(wǎng)設(shè)計(jì)中需用大量中繼節(jié)點(diǎn)來保證網(wǎng)內(nèi)信息通暢。針對此問題，提出了一種Mesh結(jié)構(gòu)的自組織方法，將一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)根據(jù)布網(wǎng)需求分割為多個相對獨(dú)立的子網(wǎng)，再使用TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)之間的相互通信。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 集中式無線定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 移動終端節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用需求，移動終端節(jié)點(diǎn)供能采用4.2 V、容量為1700 mAh的可充電電池，參考節(jié)點(diǎn)則采用固定外接電源。除此之外，移動終端節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)相同，都采用CC2430芯片作為核心通信模塊，在PCB電路板上提供電源模塊、外部晶振電路、JTAG接口、UART串口、按鍵和復(fù)位電路等［10］，如圖2所示。

CC2430芯片是一款支持ZigBee協(xié)議棧的片上系統(tǒng)(SOC)解決方案，結(jié)合了高性能2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻(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微控制器內(nèi)核，支持ZigBee、IEEE 802.15.4協(xié)議。CC2430芯片提供一個JTAG調(diào)試接口和兩個UART串口，JTAG調(diào)試接口允許用戶對片上Flash進(jìn)行編程，提供對存儲器和寄存器內(nèi)容的訪問等調(diào)試功能。本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)選用UART1串口，考慮到某些應(yīng)用場合產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大，串口采用DMA(Direct Memory Access)方式傳輸數(shù)據(jù)，波特率設(shè)定為115，200 Bps;天線則采用兼容IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz頻段倒F型微帶PCB天線。按鍵Key的作用是，按下時拉低CC2430芯片的P0.1引腳上的電平，下降沿觸發(fā)按鍵事件。

圖2 移動終端節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

2.2 子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件由普通參考節(jié)點(diǎn)的UART串口連接至一個RS232-TCP/IP轉(zhuǎn)換模塊組成，本系統(tǒng)采用CONEXTOP公司的NePort-L模塊。NePort-L模塊是一款高度集成，高性能的嵌入式設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器產(chǎn)品，能直接實(shí)現(xiàn)串口通過有線方式聯(lián)網(wǎng)，確保在可選最高波特率下雙向全速不間斷傳送數(shù)據(jù)不丟包。子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

3 子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

3.1 虛擬專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

虛擬專用網(wǎng)絡(luò) (VPN)是一種利用公共網(wǎng)絡(luò)鏈路架設(shè)私有網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)［11-12］。它通過建立一條專門的隧道，實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)中特定一部分用戶形成一個虛擬的局域網(wǎng)，而不需要這些用戶有直接的端到端的物理鏈路。這個虛擬局域網(wǎng)內(nèi)的用戶可以相互傳輸數(shù)據(jù)和廣播消息，同時與其他用戶相互隔絕，保證了信息傳輸?shù)乃接行院桶踩浴?/p>

3.2 聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)步驟

聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)步驟描述如下:

(1)分配一段私網(wǎng)IP地址以分配各每個子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)試用，例如192.168.0.0/24;

(2)為PC服務(wù)器和每個子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從192.168.0.0/24中選取一組 IP地址 (每組 4個 IP)，例如選取192.168.0.0/30，其 中 網(wǎng) 絡(luò) 號 (192.168.0.0)，網(wǎng) 關(guān)(192.168.0.1)和廣播地址 (192.168.0.3)須保留，可使用的IP地址為192.168.0.2，子網(wǎng)掩碼255.255.255.252。將分配到的IP地址配在NePort-L模塊中，通過ADSL或EPON方式接入城域網(wǎng)接入層設(shè)備;

(3)向城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商申請VPN業(yè)務(wù)，即在運(yùn)營商邊緣路由器上建立VPN實(shí)體，定義路由區(qū)分符和路由目標(biāo)，將所有子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)加入VPN實(shí)體，確保每個子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)都能ping通PC服務(wù)器。

PC服務(wù)器與所有的子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)利用VPN技術(shù)，通過城域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，可實(shí)現(xiàn)相距很遠(yuǎn)的子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信，而不需要布置大量的中繼節(jié)點(diǎn)。它是ZigBee網(wǎng)絡(luò)在空間上的極大延伸，彌補(bǔ)了ZigBee技術(shù)傳輸距離短的不足。從成本上來看，子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接入城域網(wǎng)會帶來額外的費(fèi)用，但是當(dāng)各個子網(wǎng)相距很遠(yuǎn)時，布置中繼節(jié)點(diǎn)幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的;而且布置大量的中繼節(jié)點(diǎn)也會帶來很高的傳輸延時。因此，將傳統(tǒng)的TCP/IP通信技術(shù)與ZigBee技術(shù)融合，才能實(shí)現(xiàn)集中式的大地域跨度范圍內(nèi)的無線傳感網(wǎng)定位系統(tǒng)。

4 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 移動終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

移動終端節(jié)點(diǎn)在初始化并成功加入網(wǎng)絡(luò)后［13］，即開始以單跳廣播形式循環(huán) (1次/s)上報(bào)該節(jié)點(diǎn)8個字節(jié) (64 Bits)的MAC地址和1個字節(jié)的標(biāo)志位，消息ID為BLINDNODE_BLAST。MAC地址用來確定節(jié)點(diǎn)身份，標(biāo)志位用來在PC服務(wù)器端對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理。當(dāng)檢測到按鍵事件后，立即廣播發(fā)送一條ALARM_REQUEST消息到所有參考節(jié)點(diǎn)，該消息包含該節(jié)點(diǎn)的MAC地址。對應(yīng)的程序流程如圖4所示。若在終端節(jié)點(diǎn)硬件上添加各類傳感器 (如溫度、濕度傳感器)［14-15］，則需在軟件中添加相應(yīng)程序。

圖4 移動終端節(jié)點(diǎn)軟件流程

4.2 參考節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

參考節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的支架，主要起路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)作用。初始化后，參考節(jié)點(diǎn)廣播請求附近的子網(wǎng)關(guān)地址，將接收到第一個回復(fù)的子網(wǎng)關(guān)作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)接收到來自移動終端節(jié)點(diǎn)的BLINDNODE_BLAST消息時，參考節(jié)點(diǎn)將偵測到的信號強(qiáng)度與信號內(nèi)容合并成RSSI_REPORT消息一起上報(bào)到指定子網(wǎng)關(guān)。當(dāng)接收到ALARM_REQUEST報(bào)警信息時，參考節(jié)點(diǎn)將直接將信息轉(zhuǎn)發(fā)至子網(wǎng)關(guān)上報(bào)PC服務(wù)器。參考節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序流程如圖5所示。

圖5 參考節(jié)點(diǎn)軟件流程

4.3 子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

子網(wǎng)關(guān)是其所在子網(wǎng)內(nèi)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)組織子網(wǎng)和收集子網(wǎng)信息，并通過TCP/IP連接實(shí)現(xiàn)多個子網(wǎng)間的信息交換。圖6給出了在完成初始化后子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序流程圖。

4.4 PC服務(wù)器端的軟件設(shè)計(jì)

PC服務(wù)器通過TCP/IP連接從各子網(wǎng)關(guān)獲取移動終端節(jié)點(diǎn)的信息，包括參考節(jié)點(diǎn)接收到的終端節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度(RSSI_REPORT)和來自終端節(jié)點(diǎn)的按鍵報(bào)警信息(ALARM_REQUEST)，對應(yīng)的消息幀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

PC服務(wù)器端軟件從接收到的所有RSSI_REPORT消息中，對具有相同移動終端節(jié)點(diǎn)MAC地址和標(biāo)志位的消息進(jìn)行比較，選出其中RSSI值 (即參考節(jié)點(diǎn)測得移動終端節(jié)點(diǎn)廣播消息的信號強(qiáng)度)最大的消息，從而獲得轉(zhuǎn)發(fā)該消息的參考節(jié)點(diǎn)地址，即可判斷該移動終端節(jié)點(diǎn)是否位于此參考節(jié)點(diǎn)附近。

5 結(jié)束語

詳細(xì)闡述了一種基于ZigBee的集中式無線定位系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用多個分立子網(wǎng)關(guān)的形式，用TCP/IP連接作為無線連接的補(bǔ)充，允許網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)存在盲區(qū);在子網(wǎng)之間也無需加入中繼節(jié)點(diǎn)，而是通過現(xiàn)有Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)通信，由此使整個系統(tǒng)的作用范圍幾乎不受地理環(huán)境的限制，能覆蓋無線信號死角，并有選擇性地對某些特定區(qū)域范圍進(jìn)行監(jiān)控 (如特定樓層及特定建筑內(nèi)的安全監(jiān)控和物品跟蹤)。若在參考節(jié)點(diǎn)上裝備合適的傳感器模塊，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息實(shí)時采集和監(jiān)控功能。例如，在多個蔬菜大棚分別布置帶有溫濕度傳感器的參考節(jié)點(diǎn)，即能通過Internet網(wǎng)絡(luò)同時進(jìn)行溫濕度的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

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