基于物聯(lián)網(wǎng)的無線實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜遠(yuǎn)坤　王磊

摘 要： 為了達(dá)到解決無線實(shí)時(shí)定位的研究目的，引入ZigBee和CC2530芯片技術(shù)，利用RSSI測距研究方法分析了接收信號(hào)強(qiáng)度與信號(hào)傳輸距離的關(guān)系，并結(jié)合三邊定位算法，在上位機(jī)定位軟件上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過設(shè)置參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，可在調(diào)試信息框中得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的測距、定位等過程性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過多次仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M，得到了該方法能通過追蹤移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，較為有效地實(shí)現(xiàn)參考節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)強(qiáng)度測量與實(shí)時(shí)定位等結(jié)論。該文創(chuàng)新點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的微功耗技術(shù)與RSSI測距技術(shù)，內(nèi)嵌集成獨(dú)有的實(shí)時(shí)定位算法，采用高增益、抗干擾射頻電路設(shè)計(jì)而成，可連續(xù)上電運(yùn)行，能較好地滿足室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)定位的功能要求。

關(guān)鍵詞： ZigBee； CC2530； RSSI； 三邊定位算法

中圖分類號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）24?0079?04

Design and implementation of wireless real?time positioning system based on

Internet of Things

DU Yuankun1， WANG Lei2

（1. Department of Information Engineering， Zhengzhou College of Science & Technology， Zhengzhou 450064， China；

2. Department of Basic， Zhengzhou College of Science & Technology， Zhengzhou 450064， China）

Abstract： To achieve the purpose of wireless real?time positioning， ZigBee and CC2530 technologies are introduced in the system design. the relation between received signal strength and signal transmission distance is analyzed by using the RSSI range finding technology. With the help of trilateral positioning algorithm， the simulation experiments were carried out on positioning software in upper computer. By setting reference node coordinate， some experimental results， such as the mobile node′s range finding and positioning， can be obtained in debugging information box. After some experiments， the conclusion that this method can effectively realize the signal strength detection and real?time positioning between reference node and mobile node was obtained by tracing the mobile node coordinate. The innovation point of this paper is that this system can power?on operation continuously and satisfy the functional requirements of real?time location in indoor environment by utilizing the advanced micro?power consumption technology and RSSI range finding technology， real?time positioning algorithm particular in embedded integration， high gain and anti?interference radio?frequency circuit design.

Keywords： ZigBee； CC2530； RSSI； trilateral positioning algorithm

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，區(qū)域監(jiān)控和人員跟蹤定位等無線傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，室內(nèi)環(huán)境下的人員跟蹤定位成為一個(gè)非常熱門的研究領(lǐng)域。本文闡述了基于ZigBee無線技術(shù)的CC2530實(shí)時(shí)定位設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了人員室內(nèi)的實(shí)時(shí)定位。

1 ZigBee和CC2530技術(shù)

ZigBee是近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、自組織的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其是按照IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)研制的安全、有關(guān)組網(wǎng)和應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee的特性決定它是無線傳感網(wǎng)的最佳選擇，其廣泛使用定位、物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。CC2530的內(nèi)核是由51單片機(jī)集成，具有04/06/07/PRO協(xié)議棧的原理圖、開發(fā)模板和源碼程序。通過電腦和USB的連接，具有在線調(diào)試，寄存器觀察和代碼下載等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)CC2530實(shí)時(shí)在線調(diào)試和仿真。

2 系統(tǒng)工作原理

本定位系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（Mobile Tag）、4個(gè)固定參考節(jié)點(diǎn)（Reference Tag）和1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（Reader），在工作時(shí)讓節(jié)點(diǎn)同處一場景中。射頻信號(hào)由參考節(jié)點(diǎn)不斷對(duì)外發(fā)射；射頻信號(hào)由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收，通過檢測參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)強(qiáng)度，將檢測的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)包傳給網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)相連，并運(yùn)行上位機(jī)定位軟件，即可顯示相對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及具體位置，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位的功能。

3 RSSI測距技術(shù)

在上述工作原理中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)要檢測參考節(jié)點(diǎn)之間通信的接收信號(hào)強(qiáng)度，通過接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）測出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的位置，因此需測距算法，下面是測距算法的介紹。

測距是定位的基礎(chǔ)。要獲取大于等于3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置才能確定。本文使用信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）測量距離。

利用信號(hào)強(qiáng)度測距，選用下面模型[1] ：

[RSSI=A+10nlg d-EAF] （1）

式中：RSSI是接收信號(hào)強(qiáng)度；A是在1 m處發(fā)射節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度；n是與環(huán)境有關(guān)的信號(hào)傳輸常數(shù)；d是發(fā)射節(jié)點(diǎn)距離[2]。RSSI 距離曲線通過射頻參數(shù)A和信號(hào)傳輸常數(shù)n建立場景模型實(shí)現(xiàn)具有明確的應(yīng)用場景。EAF（dBm）表示環(huán)境影響系數(shù)，它的值由室內(nèi)環(huán)境決定，是靠大量的數(shù)據(jù)分析出的經(jīng)驗(yàn)值。EAF（dBm）是一個(gè)隨機(jī)變化的值，但從使用的角度出發(fā)，將其設(shè)定為固定值。經(jīng)過大量驗(yàn)證環(huán)境下測得的RSSI值和在理想狀態(tài)下測的RSSI值，得到試驗(yàn)環(huán)境EAF的值大概是11.9 dBm，A的值為45，n的值為3.5。EAF（dBm）、A及n的值確定后，對(duì)RSSI值進(jìn)行分析采樣，使用最小二乘法對(duì)采樣值進(jìn)行整合，如圖1所示。

由圖1可以看出，曲線的變化趨勢會(huì)受到環(huán)境的影響，但是信號(hào)傳輸?shù)木嚯x和接收信號(hào)的強(qiáng)度存在一定的變化關(guān)系，隨著信號(hào)傳輸距離的增長信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)明顯減弱的趨勢，然而曲線不是平滑的。因此通過RSSI方法定位時(shí)，有一定的誤差；距離和接收信號(hào)強(qiáng)度之間近似成反比，傳輸距離大約20 m時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度受距離的影響出現(xiàn)平緩趨勢。因此，使用RSSI測距時(shí)，傳輸距離和誤差近似成正比[3]。

4 三邊定位算法

上述對(duì)RSSI測距算法的原理和實(shí)際中的應(yīng)用做了深入探討，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)RSSI測距算法結(jié)合定位算法來實(shí)現(xiàn)定位。本系統(tǒng)使用的定位算法是三邊測量[4]，三邊定位原理如圖2所示。三邊測量定位法的基本工作原理是3個(gè)坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)A，B，C，通過將傳感器節(jié)點(diǎn)測得的信號(hào)功率值轉(zhuǎn)換為距離作為圓的半徑，圖2中分別用r1，r2和r3表示，最后求出3個(gè)圓的交點(diǎn)作為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

已知三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為A（x1，y1），B（x2，y2），C（x3，y3），它們到未知D（x，y）點(diǎn)的距離分別為AD（r1），BD（r2），CD（r3）， 則建立方程如下[5]：

[（x-x1）2+（y-y1）2=r21（x-x2）2+（y-y2）2=r22（x-x3）2+（y-y3）2=r23] （2）

從式（2）中，可解得D點(diǎn)的值。

但在實(shí)際測距過程中，因?yàn)橛姓`差存在，三個(gè)圓常常不能相交一點(diǎn)，假如節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)活動(dòng)范圍在參考節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，則會(huì)出現(xiàn)4種可能，如圖3所示。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，先要判斷三個(gè)圓有幾個(gè)圓相交，判斷兩個(gè)圓相交方法是把三個(gè)圓對(duì)應(yīng)的方程兩兩結(jié)合，計(jì)算是否有解：

[（x-x1）2+（y-y1）2=r12（x-x2）2+（y-y2）2=r22] （3）

[（x-x1）2+（y-y1）2=r12（x-x3）2+（y-y3）2=r32] （4）

[（x-x2）2+（y-y2）2=r22（x-x3）2+（y-y3）2=r32] （5）

若式（3）有解（x12，y12），（x21，y21），判斷這兩點(diǎn)到點(diǎn)（x3，y3）的距離誰最近，選兩點(diǎn)離點(diǎn)（x3，y3）最近的點(diǎn)為D；若式（4）有解（x13，y13），（x31，y31），判斷其兩點(diǎn)誰到點(diǎn)（x2，y2）距離較近，選取近點(diǎn)為F；若式（5）有解（x23，y23），（x32，y32），則判斷兩點(diǎn)誰到點(diǎn)（x1，y1）的距離較近，選較近點(diǎn)為E，△DEF的重心就是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位的位置。 若式（3）沒有解，將兩個(gè)圓的圓心相連，連線和兩個(gè)圓相交兩點(diǎn)，兩點(diǎn)形成線段的中點(diǎn)為D點(diǎn)；如果式（4）和式（5）也沒有解，可使用同樣方法來獲得E點(diǎn)和F點(diǎn)的值。從而，不管兩圓是否相交，都可計(jì)算出D，E，F(xiàn)三個(gè)點(diǎn)，三點(diǎn)組成三角形的重心就是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[4]。

5 定位系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)工作流程是從通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸流程到計(jì)算機(jī)接收到信號(hào)強(qiáng)度的相關(guān)信息之后進(jìn)行測算的流程。系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸流程如圖4所示[2]。

在定位系統(tǒng)的通信過程中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，參考節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)后，求出信號(hào)強(qiáng)度在一段時(shí)間的平均值，然后回發(fā)給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)再把收到的平均值信號(hào)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再發(fā)送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的測算流程[5]如圖5所示。

在實(shí)際的算法中，選了4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，這樣選擇是折中了計(jì)算復(fù)雜程度和定位精度。這考慮到如選取N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，需要的三邊算法次數(shù)為[C3N]，如果取5個(gè)參考節(jié)點(diǎn)時(shí)就需要測量10次，還要獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的10個(gè)可能坐標(biāo)，還需要計(jì)算這10個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的重心，增加很多計(jì)算次數(shù)，但是在實(shí)際的定位中，增加一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，定位精度提升的性價(jià)比不高[6?7]。

6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含三個(gè)部分：仿真器連接與仿真器驅(qū)動(dòng)安裝、參考節(jié)點(diǎn)移動(dòng)與節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。

6.1 仿真器連接與仿真器驅(qū)動(dòng)安裝

本系統(tǒng)使用的CC Debugger仿真器，此仿真器集成編碼仿真調(diào)試、編程于一身的產(chǎn)品，通過USB接口連接電腦，連接到CC2530無線單片機(jī)，USB供電，即插即用。

仿真器通過編程線與開發(fā)板相連接，通過一根方口USB連接線與計(jì)算機(jī)相連。使用步驟如下：

（1） 用10芯JTAG線將仿真器與目標(biāo)板相連接。

（2） 用方口USB連接線（一頭長方口，一頭方口的 USB連接線）把仿真器與PC連接好。

（3） 此時(shí)，電腦就會(huì)顯示發(fā)現(xiàn)新硬件，安裝好驅(qū)動(dòng)。

（4） 安裝好驅(qū)動(dòng)后，仿真器就可以正常使用了。

6.2 參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

參考節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)硬件完全一致，差別在于所燒寫的軟件固件程序。參考節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)采用2.4 GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案，節(jié)點(diǎn)模塊可獨(dú)立上電使用[8]；采用CC2530?F256片上系統(tǒng)并結(jié)合TI公司的ZigBee兼容協(xié)議棧Z?Stack[9]；完全滿足ZigBee 2007/PRO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無線自組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)要求，支持ZigBee 2007/PRO網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[10?11]。

6.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

Visual Basic 6.0中文版完成上位機(jī)定位軟件的開發(fā)。下面是定位的核心代碼[12]：

Private Sub MnuStartLoc_Click（）

If Datalist.FindItem（CurrentT） Is Nothing Then

Datalist.ListItems.Add 1， CurrentT

′Datalist.SelectedItem.Index = Datalist.ListItems.Count

If ObjectP.x = 0 And ObjectP.y = 0 Then

Datalist.ListItems（1）.SubItems（2） = "在固定點(diǎn)" + perceive + "附近"

Else

Datalist.ListItems（1）.SubItems（2） = CStr（ObjectP.x） + "， " + CStr（ObjectP.y）

End If

Datalist.ListItems（1）.SubItems（1） = LocUnitID

Datalist.ListItems（1）.SubItems（3） = Format（Now， "hh：mm：ss"）

Else

If ObjectP.x = 0 And ObjectP.y = 0 Then

Datalist.FindItem（CurrentT）.SubItems（2） = "在固定點(diǎn)" + perceive + "附近"

Else

Datalist.FindItem（CurrentT）.SubItems（2） = CStr（ObjectP.x） + "， " + CStr（ObjectP.y）

End If

Datalist.FindItem（CurrentT）.SubItems（1）= LocUnitID

Datalist.FindItem（CurrentT）.SubItems（3）= Format（Now， "hh：mm：ss"）

End If

′If DrawPoint（CurrentT）.flag = 1 Then

′pic1.ForeColor = pic1.BackColor

′DrawTagPoint DrawPoint（CurrentT）.x， DrawPoint（CurrentT）.y， CurrentT

′DrawPoint（CurrentT）.flag = 0

′End If

For k = 1 To Val（txt_tagnum.Text）

If k <> CurrentT Then

If DrawPoint（k）.flag = 1 And TagDrawTime（k） < 10 Then

DrawTagPoint DrawPoint（k）.x， DrawPoint（k）.y， k

Else

DrawPoint（k）.flag = 0

TagDrawTime（k） = 0

End If

End If

Next k

If ObjectP.flag = 1 Then

DrawTagPoint ObjectP.x， ObjectP.y， CurrentT

DrawPoint（CurrentT） = ObjectP

WriteBuf$ = WriteBuf$ & " （" & Format$（ObjectP.x， "0.0"） & "，" & Format$（ObjectP.y， "0.0"） & "）"

′If （ObjectP.x < X_START） Or （ObjectP.x > X_END） Or （ObjectP.y < Y_START） Or （ObjectP.y > Y_END） Then

′SetWindowScale

′DrawTagPoint ObjectP.x， ObjectP.y

′DrawPoint = ObjectP

′End If

End If

WriteBuf$ = WriteBuf$ & Chr$（13） & Chr$（10）

End Sub

本系統(tǒng)在室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，上位機(jī)（PC）與網(wǎng)關(guān)通過數(shù)據(jù)線連接后，在上位機(jī)軟件界面選擇好COM口號(hào)，并建立RS 232串口通信連接。4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)分別擺放在（0，0），（0，4），（4，0），（4，4）位置，打開參考節(jié)點(diǎn)電源。在上位機(jī)軟件中設(shè)置同樣的坐標(biāo)位置，如圖6所示。打開移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電源，3 s后應(yīng)該出現(xiàn)紅色移動(dòng)點(diǎn)，顯示出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的位置。同時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息列表中顯示當(dāng)前相關(guān)定位信息；調(diào)試信息框中則顯示信號(hào)強(qiáng)度RSSI檢測以及測距、定位的過程信息，如圖7所示。

7 結(jié) 語

為了解決無線實(shí)時(shí)定位問題，本文引入了ZigBee和CC2530芯片技術(shù)，并利用RSSI測距技術(shù)分析了接收信號(hào)強(qiáng)度與信號(hào)傳輸距離的關(guān)系。結(jié)合RSSI測距技術(shù)和三邊定位算法，本文提出了無線實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的工作原理及測試流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該定位系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)定位。

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