1、CC2431的室內定位系統設計CC2431的室內定位系統設計摘要介紹一種基于技術的室內定位系統的設計以82431無線定位引擎為核心,結合Z”B“參考節點的無線室內定位系統，闡述系統的構成和定位引擎的工作原理，討論系統硬件電路。該定位系統實現了低成本、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引青隨著數據業務和多媒體業務的快速增加，人們對定位與導航的稀求日益增大，尤其在紀雜的室內環境，如機場大廳、展廳

2、、倉庫、超市、圖書館、地下停車場等環境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內的位置。但是受定位時間、定位精度以及室內復雜環境等條件的限制，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。利用以小技術實現定位具有低成本、低功耗的優點，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、低數據率、低復雜度的雙向無線通信技術，它是基于IEEB802.15.4標準開發的無線蚱議。網絡層以上為議由ZitBee聯盟制定，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、應用架構層、網絡層以及數據鏈路層和物理層等蛆成，協議棧結構如圖1所示.ZigBcc 或 OEMZigBcc聯盟應用層應用架構網絡層媒體訪何控制層MAC物理層PHY圖1ZitBee協議棧結構可使用的頻段有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發射功率，可達500）：傳輸速率為20

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

5、率和發射器與接收器間距離的函數。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：d代表距發射器間的距肉；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衰減的關系。節點到信號源的距離越近,由RSSI值的偏差產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.一個未知節點可能收到n個參考節點的信號，所以應當采用RSSI值大的前幾個參考節點進行定位計算，這樣可以避免定位誤差獷大。2 ZigBce技術實現定位的優勢(1)功耗低由FZigBe。的傳輸速率低，發射功率僅為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)網絡容量大一個星型結構的ZigBcc網絡最多可以容納254個從設備和1個主設備,組網

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網絡，降低了ZigBee節點設計和蛆網成本,且利用更多的ZigBee設備可以達到更高的定位精度。3 室內定位系統設計3.1 系統結構定位系統由盲節點(即待定位V.點)和參考節點組成，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網關，系統結構如圖2所示.ZigBcc無線M絡圖2系統結構圖參考節點是一個位于已知位置的靜態節點，這個節點知道自己的位置并可以將其位置通過發送數據包通知其他節點。白節點從參考節點處接收數據包信號,獲得參考節

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，由參考節點發送給自節點的數施包至少包含參考節點的坐標參數水平位置X和豎直位置Y,而RSSI值可由接收節點計算獲得，一般來說參考節點越多越好,要得到一個可靠的定位坐標至少需要3個參考節點.如果參考節點太少，節.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1，要得到好的定位精度，需要8個參考節點；如果得不到8個節點，則應該使用盡可能多的節點.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據和與無線節點網絡交互，特定的控制系統是必需的。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網關。ZigB6網關的作用就是將無線網絡連接到控制終端，所有位置計算都由盲節點來實現，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網絡進行交互，比如獲得日節點的位宣信息。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(SoC)解決方案,能滿足低功耗ZigBee/IEEE802.15.4無線傳感器網絡的應用需要.CC2431的定位引擎基于RSSI技術,根據接收信號強度與已知參考節點位置準確計算出有關節點位置,然后將位置信息發送給接收端。CC2431由2.4GHz直接

10、序列擴須(DSSS)射頻收發器核心和增強型工業標準的8位8051微控制器組成,是帶有128KB閃存的8051內核ZigBee無線單片機，并帶有定位跟蹤引擎.區組L的設計結合了8KB的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，它們是根據不同的閃存空間32KB、64KB和128KB來優化熨雜度與成本的組合。CC2431.的尺寸只有7nnX7皿的48腳封裝，采用具有內嵌閃存的0.18umCMOS標準技術.針對協議棧、網絡和應用軟件執行時對MCU處理能力的要求，CC2431包含一個增強型工業標準的8位8051微控制器內核，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微控制器內核對數據搬移的操作，因此提高了芯片整體的性能.系統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成，其中的電感LI、L2還為芯片內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為一個等效串聯電阻(ESR)<60G的32MHz晶振，R1為其建立精確的偏區電路，CKC2是去糧電容，用于電源濾波，向電壓調節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，保證電路系統穩定工作.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典的硬件定位引擎與軟件定位方法相比的優勢是：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個參考節點,定位估計以0.5m為單位計笄節

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點的RSSI信息定位.在節點上分布式定位計算可避免集中計算方法帶來的大量網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，它表示各個畬考節點的位置,其數值位于。63.75,坡島精度為0.255以坡

14、低2位為小數部分,剩余6位為整數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叫但是這個區域對實際應用來說顯得太小,因此擴展區域非常必要可以通過軟件預處理算法來實現每個節點用2個字節代表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域擴展的示意圖。圖5擴展定位區域示意圖該圖所示的區域中，在X、Y方向上每隔30m放置一個參考節點，虛環中間的白色節點為百節點，其他節點為參考節點。第1步，確定具有最高RSSI值的一個節點并計算一個補償值，使之“移動”到64mX64m范困的中心.由于已知來自此節點的RSSI值,所以到此節點的距離很容易得到；第2步，確定除“最強”節點之外的其他使用節點，所有節點用第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