無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位節(jié)點設(shè)計※

韓鵬霄，劉繼堯，周東平

（公安部第一研究所，北京 100048）

引 言

公共安全領(lǐng)域內(nèi)，室內(nèi)定位技術(shù)在羈押場所預(yù)警監(jiān)控、取保候?qū)?、監(jiān)視居住，以及緊急情況救援與救災(zāi)應(yīng)急指揮調(diào)度等應(yīng)用中具備良好的應(yīng)用前景。ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無線通信技術(shù)，具有自組網(wǎng)、低延遲、可實現(xiàn)128位的AES加密和組網(wǎng)方式靈活等特性，非常適合用于室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用需求?；赯igBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，具有成本低、節(jié)點續(xù)航時間長、自組網(wǎng)方便靈活、便于快速部署和安全性較高等優(yōu)點。

1 基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點簡述

基于ZigBee的定位網(wǎng)絡(luò)是一個WSN網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)），為定位應(yīng)用系統(tǒng)提供定位特征信息及節(jié)點狀態(tài)報警信息，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點和盲節(jié)點組成。定位算法需要至少3個參考節(jié)點對1個盲節(jié)點進(jìn)行定位。定位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

定位網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器承擔(dān)著ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起和管理功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器匯集定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有參考節(jié)點產(chǎn)生的定位信息，并將定位信息發(fā)送給應(yīng)用系統(tǒng)。

圖1 基于ZigBee的室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

參考節(jié)點固定布置在定位區(qū)域范圍內(nèi)的特定位置上，接收盲節(jié)點發(fā)送的特征信息數(shù)據(jù)信號，并提取出該信號的場強特征信息，即RSSI（Received Signal Strength Indica－tion，接收信號強度指示）值。參考節(jié)點將其自身的特征信息和盲節(jié)點的特征信息數(shù)據(jù)、RSSI值打包生成定位信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。參考節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點。

盲節(jié)點佩戴或安裝在被定位人員或物品上，周期性地通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送自身的特征信息數(shù)據(jù)。盲節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點。

參考節(jié)點與盲節(jié)點使用相同的硬件，通過下載參考節(jié)點或是盲節(jié)點的應(yīng)用程序，實現(xiàn)參考節(jié)點或盲節(jié)點的功能。本文所述定位節(jié)點包括參考節(jié)點和盲節(jié)點。

2 基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點硬件設(shè)計

基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點硬件電路主要由CC2530主控電路、射頻前端電路、電源模塊、加速度傳感器電路等部分組成。

2.1 CC2530主控電路設(shè)計

本文選擇TI公司的CC2530為核心來設(shè)計節(jié)點。CC2530是一款低成本、低功耗、高集成度的ZigBee協(xié)議SoC解決方案，工作在2.4GHz ISM頻段。CC2530內(nèi)部集成有射頻收發(fā)器、增強型8051核MCU、豐富的片上存儲器和外圍接口資源，能夠為ZigBee協(xié)議棧及應(yīng)用軟件提供有力的支持。CC2530功耗低，在以1dBm功率發(fā)射時，電流消耗為29mA；接收時，電流為24mA。CC2530支持多種低功率工作模式（空閑模式和休眠模式等），休眠模式切換到主動模式的超短時間特性使節(jié)能設(shè)計更方便，特別適合要求電池壽命長的應(yīng)用。

節(jié)點以CC2530芯片為核心，配合軟件優(yōu)化，在實現(xiàn)節(jié)點功能的同時，能夠有效節(jié)省功耗、減少體積和BOM成本。主控電路的原理圖如圖2所示。

2.2 射頻前端電路設(shè)計

CC2530是無線SoC設(shè)計方案，只需采用較少的外圍電路即可實現(xiàn)基本的信號收發(fā)功能。然而，要達(dá)到理想的性能，需要設(shè)計和優(yōu)選射頻電路參數(shù)，才能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的無線信號傳輸、最大的通信距離和良好的電磁兼容性能。

CC2530的射頻輸出為差分信號，需要經(jīng)過差分—單端轉(zhuǎn)換電路，才能與常用的鞭狀或貼片天線連接；另外CC2530射頻輸出端的差分阻抗為（69＋j29）Ω，為實現(xiàn)信號的高效傳輸，需要進(jìn)行阻抗變換，使射頻收發(fā)系統(tǒng)的天線接口端的阻抗等于標(biāo)準(zhǔn)的50Ω。以上兩點功能是射頻前端電路設(shè)計的主要任務(wù)與設(shè)計目標(biāo)。

差分－單端轉(zhuǎn)換電路基于TI公司提供的參考設(shè)計進(jìn)行了參數(shù)仿真和優(yōu)化，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)根據(jù)定位系統(tǒng)需求及節(jié)點硬件設(shè)計特點重新設(shè)計，保證在阻抗匹配、收斂性及電磁兼容性能等方面符合系統(tǒng)要求。

射頻前端電路手冊圖如圖3所示。其中，Term2為50Ω天線接口，Term1與Term3及Balun器件CMP1是模擬CC2530射頻輸出端的虛擬器件。

（1）理論教學(xué)合計114學(xué)分：包括通識必修課42學(xué)分，學(xué)科基礎(chǔ)課28.5學(xué)分，專業(yè)必修課13.5，專業(yè)方向課18學(xué)分，通識選修課12學(xué)分。

在ADS2011環(huán)境下對該設(shè)計進(jìn)行S參數(shù)仿真及Z參數(shù)仿真，仿真結(jié)果略——編者注。

仿真結(jié)果顯示，匹配網(wǎng)絡(luò)正向傳播系數(shù)為－0.685 dB，即插入損耗小于0.076；回波損耗為－22.733dB，即小于0.073；輸入阻抗為69.181Ω，輸出阻抗為50.221Ω，匹配網(wǎng)絡(luò)較好地達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

2.3 電源模塊設(shè)計

節(jié)點核心芯片CC2530的工作電壓為2～3.6V，其射頻輸出功率和接收靈敏度受到供電電壓的影響。射頻信號強度信息是定位的關(guān)鍵信息，因此，必須保證供電電壓的穩(wěn)定，才能保證定位信息的準(zhǔn)確。同時，參考節(jié)電與盲節(jié)點根據(jù)應(yīng)用場合不同，將采取普通堿性電池、充電電池、鋰電池、直流電源等多種供電方式，輸入電源電壓范圍較寬。最后，電源模塊需要采用DC－DC轉(zhuǎn)換的方式，以提高電源轉(zhuǎn)換效率，延長電池使用時間。

圖2 基于CC2530的主控電路原理圖

圖3 射頻前端電路手冊圖

TI公司的TPS63001為一款升降壓轉(zhuǎn)化器，輸入電壓范圍為1.8～5.5V，輸出電壓3.3V，最大輸出電流800 mA，采用3mm×3mm微型封裝，效率可高達(dá)96%。適用于普通堿性電池、充電電池、鋰電池等多種供電模式，具有適應(yīng)范圍寬、效率高、體積小等優(yōu)點，能夠滿足電源設(shè)計的需求。電源模塊原理如圖4所示。

圖4 電源模塊原理圖

3 基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點軟件設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

節(jié)點的軟件設(shè)計基于OSAL操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用任務(wù)（UserApp）和ZigBee設(shè)備對象任務(wù)（ZDO）一起在OSAL操作系統(tǒng)的調(diào)度下運行，其調(diào)度機制基于優(yōu)先級。其中，用戶應(yīng)用任務(wù)優(yōu)先級最低。節(jié)點軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 節(jié)點軟件架構(gòu)圖

ZigBee系統(tǒng)任務(wù)在TI公司提供的Z－Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)。ZigBee協(xié)議從上到下由應(yīng)用層APS、網(wǎng)絡(luò)層NWK、媒體訪問控制層MAC和物理層PHY組成。應(yīng)用層的主要功能與定位信息的采集與傳輸密切相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括配置設(shè)備、路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，確保數(shù)據(jù)安全、有效地傳輸?shù)侥康脑O(shè)備。媒體訪問控制層MAC控制著設(shè)備接入無線信道的時間和方法，確保數(shù)據(jù)鏈的可靠性。物理層PHY主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，完成信道的評估和射頻信號能量的測量。應(yīng)用層APS數(shù)據(jù)從一個ZigBee設(shè)備發(fā)送到另一個ZigBee設(shè)備，是一個層次封裝，然后層次解析的過程。數(shù)據(jù)傳遞流程如圖6所示。

3.2 ZigBee軟件設(shè)計

節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)運行是定位系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，關(guān)系到定位數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。節(jié)點上電后，首先進(jìn)行硬件初始化和網(wǎng)絡(luò)初始化。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的過程如下：節(jié)點在預(yù)先設(shè)定的信道上掃描可用的網(wǎng)絡(luò)和父節(jié)點，并把可以找到的所有父節(jié)點的資料存入自己的相鄰表。在相鄰表所有父節(jié)點中選擇一個深度最小的，并對其發(fā)出入網(wǎng)請求信息。如果發(fā)出的請求被批準(zhǔn)，父節(jié)點會分配給它一個2字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址，此時入網(wǎng)成功；如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請求信息，直到加入網(wǎng)絡(luò)或相鄰表中都沒有合適的父節(jié)點，則入網(wǎng)失敗，中止過程。

圖6 ZigBee通信數(shù)據(jù)傳遞流程圖

ZigBee節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的流程圖如圖7所示。

圖7 ZigBee節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)流程圖

節(jié)點在ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)定位的關(guān)鍵。ZigBee定位網(wǎng)絡(luò)存在兩種數(shù)據(jù)的交互：RSSI特征信息數(shù)據(jù)和定位信息數(shù)據(jù)。簇ID是ZigBee協(xié)議定義的重要配置信息，用于區(qū)分ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸中不同的數(shù)據(jù)類型。盲節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)送自身特征信息數(shù)據(jù)時采用的簇ID為GETRSSI＿CLU，參考節(jié)點向協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)定位信息數(shù)據(jù)時使用的簇ID為INFO＿CLU。

ZigBee數(shù)據(jù)的發(fā)送通過調(diào)用AF＿DataRequest（）函數(shù)實現(xiàn)。ZigBee數(shù)據(jù)的接收由Z－Stack完成，接收數(shù)據(jù)完成后協(xié)議棧觸發(fā)SYS＿EVENT＿M(jìn)SG事件和AF＿INCOMING＿M(jìn)SG＿CMD消息，OSAL在接收到該事件和消息后，調(diào)用用戶應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行后續(xù)處理。

3.3 軟件流程

節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，通過應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行程序設(shè)計，實現(xiàn)節(jié)點特征信息的定時廣播發(fā)送、定位信息的生成和發(fā)送、路由轉(zhuǎn)發(fā)、節(jié)點狀態(tài)信息的檢測與報警信息發(fā)送等功能。盲節(jié)點和參考節(jié)點的應(yīng)用程序流程如圖8所示。

4 測試結(jié)果

為驗證節(jié)點功能，對本文描述的基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點進(jìn)行了相應(yīng)的測試。測試環(huán)境為室內(nèi)走廊環(huán)境，2個參考節(jié)點分別放置在長度為58m的走廊兩端位置，測試者持盲節(jié)點在走廊的兩端之間勻速往復(fù)走動，實時記錄節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)、報警狀態(tài)信息，以及實時跟蹤定位信息隨距離變化的結(jié)果，測試結(jié)果略——編者注。

為驗證節(jié)點的功耗性能，本文對盲節(jié)點工作模式和空閑模式的功耗分別進(jìn)行了測試。盲節(jié)點供電電壓為3.3V，正常工作時，以2Hz的頻率更新定位信息數(shù)據(jù)，平均電流實測為11.3mA；空閑模式實測電流低至1.2mA。節(jié)點設(shè)計較好地實現(xiàn)了低功耗的設(shè)計目標(biāo)。實驗表明：本文所設(shè)計的節(jié)點在室內(nèi)定位系統(tǒng)測試中，能夠滿足定位系統(tǒng)對節(jié)點的功能及性能要求。

圖8 節(jié)點應(yīng)用程序流程圖

結(jié) 語

本文討論了基于CC2530的室內(nèi)定位節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)，對節(jié)點設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。經(jīng)實驗證明，節(jié)點具有網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定、工作距離遠(yuǎn)、功能豐富和功耗低等優(yōu)點。在開展的基于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)測試和應(yīng)用中取得了良好的效果。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1] 周千里.室內(nèi)定位技術(shù)在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用探討和技術(shù)實踐[J].中國人民公安大學(xué)學(xué)報，2010（2）.

[2] Texas Instruments.CC2530F256Datasheet SWRS081B－APRIL2009－REVISED FEB 2011 [EB／OL].[2012－11].http：／／www.ti.com.

[3] Rea Schmid.Adapting TILPRF Reference Designs for Layer Stacking[EB／OL].[2012－11].http：／／www.ti.com.

[4] Texas Instruments.TPS63001Datasheet，SLVS520BMARCH 2006－REVISED JULY 2008.[EB／OL].[2012－11].http：／／www.ti.com.

[5] ZigBee Alliance.ZIGBEE SPECIFICATION Version：r13，2006.

[6] 李文仲，段朝玉.ZigBee2007／PRO協(xié)議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.