基于的無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

31 中國(guó)儀器儀表 CHINA INSTRUMENTATION 2011年 第4期 工業(yè)無(wú)線(xiàn)本期主題 基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) The Design of Wireless Location System Based on ZigBee Technology 國(guó) 鑫 霍 凱 劉玉琳 （北京交通大學(xué)， 北京 100044） 摘 要：ZigBee無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)以其低成本、 低功 耗、 低速率和定位精度高等特點(diǎn)在工業(yè)無(wú) 線(xiàn)定位等方面得到廣泛應(yīng)用。 介紹ZigBee 無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)的工作原理、 硬件設(shè)計(jì)、 軟件 設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)組成， 并通過(guò)LabVIEW系統(tǒng)監(jiān) 控軟件， 實(shí)現(xiàn)了定位網(wǎng)絡(luò)中參考節(jié)點(diǎn)和定位 節(jié)點(diǎn)的初始化以及圖形化的位置檢測(cè)。 關(guān)鍵詞：LabVIEW ZigBee技術(shù) CC243/CC2431 無(wú)線(xiàn)定位 串口數(shù)據(jù)分析 Abstract：Because of the low-cost, low-power, low-speed and high positioning accuracy, ZigBee wireless location technology has wide range of application in the industrial. A ZigBee wireless location systems theory, hardware design, software design and network components are 0introduced, and through the LabVIEW system monitoring software, achieved the initialization of the reference nodes and blind nodes as well as the graphical detection of the nodes position. Key words：LabVIEW ZigBee CC2430/CC2431 Wireless location Serial data analysis 1 引言 隨著通信技術(shù)的發(fā)展， 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)得到 越來(lái)越廣泛的關(guān)注。 其中， 基于IEEE 802.15.4的 ZigBee技術(shù)具有功耗低、 可靠性高、 時(shí)延短、 網(wǎng) 絡(luò)容量大、 安全性等特點(diǎn)。 以CC2430/CC2431芯 片為核心的無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)以其低成本、 高分辨率 （0.25m）和非常高的定位精度（小于3m） 廣泛的 應(yīng)用于礦井定位、 無(wú)線(xiàn)跟蹤等領(lǐng)域。 2 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位單片機(jī)CC2430/CC2431 ZigBee是一種新興的短距離、 低速率無(wú)線(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 是一種介于無(wú)限標(biāo)記和藍(lán)牙之間的技 術(shù)提案。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4， 這是 IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng) （Personal Area Network, PAN） 工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)， 被稱(chēng)作IEEE 802.15.4 （ZigBee） 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 CC2430/CC2431產(chǎn)品家族是世界上首個(gè)真正 的單芯片ZigBee解決方案， 是第一個(gè)真正意義上的 SoC ZigBee一站式產(chǎn)品， 并有芯片可編程閃存以及 通過(guò)認(rèn)證的ZigBee TM協(xié)議棧， 所有都集中在一個(gè) 硅片內(nèi)。 CC2430/CC2431僅需采用較少的外圍電路 即可組成無(wú)線(xiàn)高頻模塊， 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。 CC2430和CC2431的最重要的區(qū)別在于 CC2431比CC2430多一個(gè)無(wú)線(xiàn)定位跟蹤引擎， 此引 擎用于計(jì)算無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中定位節(jié)點(diǎn)的位置。 CC2430/CC2431芯片的主要特點(diǎn)如下： （1） 高性能和低功耗的8051微控制器核； （2） 集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的 32 CHINA INSTRUMENTATION 2011年 第4期 工業(yè)無(wú)線(xiàn)本期主題 RF無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機(jī)； （3）優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾 性； （4） 在休眠模式時(shí)僅0.9A的流耗， 外部的中 斷或RTC能喚醒系統(tǒng)； 在待機(jī)模式時(shí)少于0.6A的 流耗， 外部的中斷能喚醒系統(tǒng)； （5） 硬件支持CSMA/CA功能； （6） 較寬的電壓范圍 （2.03.6 V） ； （7）數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的DMA 功能； （8） 具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能； （9） 集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC； （10） 集成AES安全協(xié)處理器； （11）帶 有 2 個(gè) 強(qiáng) 大 的 支 持幾 組 協(xié) 議 的 USART， 以及1個(gè)符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC 計(jì)時(shí)器， 1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器； （12） ZigBee/802.05.4全兼容的硬件層、 物理 層； （13） 集成1個(gè)高精度的定位跟蹤引擎。 3 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)工作原理 在CC2430/CC2431組成的無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)中， 包括網(wǎng)關(guān)、 參考節(jié)點(diǎn)以及定位節(jié)點(diǎn)三大部分。 其中， 網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)整個(gè)定位無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和協(xié)調(diào)； 參考節(jié)點(diǎn) 為已知位置的節(jié)點(diǎn)， 由系統(tǒng)初始化其固定不變的物 理位置； 定位節(jié)點(diǎn)是位置隨時(shí)變化的需要進(jìn)行定位 的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)， CC2431具體位置由CC2431的定位引擎通過(guò)接 收參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值經(jīng)過(guò)定位算法而得到。 其原理為： 假設(shè)已知發(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)接收信號(hào)的強(qiáng)度, 計(jì)算出信號(hào)的傳播損 耗， 然后利用信號(hào)傳播理論和信道經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算 出距離， 通過(guò)利用三邊測(cè)量法或者三角測(cè)量法最 終計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置， 該節(jié)點(diǎn)定位算法需要多個(gè)參 考節(jié)點(diǎn)。 根據(jù)該算法 CC2431可以根據(jù)已知位置的 參考節(jié)點(diǎn)計(jì)算出其余定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。 定位估計(jì)需 要38個(gè)參考節(jié)點(diǎn), 最高定位精度可達(dá)0.5m， 定位 區(qū)域?yàn)?4m64m， 定位響應(yīng)時(shí)間少于40s。 而且 CC2431通過(guò)無(wú)線(xiàn)定位跟蹤引擎硬件定位計(jì)算， 消 耗非常少的CPU資源。 定位引擎的定位過(guò)程為： 使能定位引擎， 定位 節(jié)點(diǎn)讀取各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（X、 Y）值， 然后讀 取其他標(biāo)準(zhǔn)參數(shù) （A值、 N值、 RSSI值） ， 然后進(jìn)行 硬件的定位計(jì)算， 最后輸出定位節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo)， 關(guān)閉定位引擎。 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)中：A值為距離發(fā)射機(jī)（CC2430/ CC2431） 1m遠(yuǎn)的RSSI絕對(duì)值； N值為距離發(fā)射機(jī) 每增加1m衰減的RSSI絕對(duì)值； RSSI為CC2430/ CC2431信號(hào)強(qiáng)度， 單位為dBm。 4 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要由主機(jī)、 網(wǎng)關(guān)、 參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié) 點(diǎn)組成。 主機(jī)是計(jì)算機(jī)， 在主機(jī)上運(yùn)行相關(guān)界面 化軟件， 便于進(jìn)行系統(tǒng)的建立和觀測(cè)； 網(wǎng)關(guān)采用 CC2430芯片為核心， 與相關(guān)外圍電路組成無(wú)線(xiàn)高 頻模塊， 用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)， 在每個(gè)區(qū)域 中， 網(wǎng)關(guān)充當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色， 通過(guò)RS232串口與主 機(jī)進(jìn)行通信， 接收主機(jī)信息后無(wú)線(xiàn)發(fā)送給各個(gè)節(jié) 點(diǎn)并將節(jié)點(diǎn)信息傳送給計(jì)算機(jī)； 參考節(jié)點(diǎn)也采用 CC2430設(shè)計(jì)， 在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)路由器的角色， 并且 在定位系統(tǒng)中， 由用戶(hù)設(shè)定其固定的坐標(biāo)， 以此為 定位節(jié)點(diǎn)提供該坐標(biāo)和RSSI平均值； 定位節(jié)點(diǎn)采 用CC2431芯片為核心， 其內(nèi)部比CC2430芯片多一 個(gè)定位引擎， 可以根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)提供的固定坐標(biāo)和 RSSI平均值計(jì)算出自身的坐標(biāo)值， 并把該坐標(biāo)值和 定位節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)志號(hào)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊的核心即無(wú)線(xiàn)高頻 模塊， 網(wǎng)關(guān)、 參考節(jié)點(diǎn)、 定位節(jié)點(diǎn)均由CC2430或 CC2431與相關(guān)的外圍電路組成無(wú)線(xiàn)高頻模塊以進(jìn) 行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)的收發(fā)。 另外， 網(wǎng)關(guān)、 參考節(jié)點(diǎn)、 定位節(jié)點(diǎn)均通過(guò)便攜 式的兩節(jié)CR2430電池進(jìn)行供電。 33 中國(guó)儀器儀表 CHINA INSTRUMENTATION 2011年 第4期 工業(yè)無(wú)線(xiàn)本期主題 5 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本ZigBee系統(tǒng)以TI提供的免費(fèi)協(xié)議棧ZigBee 2006協(xié)議棧為基礎(chǔ)， 采用基于C/C+的IAR Em- bedded Workbench應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)、 編譯和調(diào)試 程序， 用CC2430/CC2431芯片公司Chipcon/TI提供 的SmartRF04Prog軟件修改芯片物理地址和下載程 序。 通過(guò)LabVIEW編寫(xiě)圖形化程序?qū)Υ跀?shù)據(jù)進(jìn)行 分析， 以實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)系統(tǒng)啟動(dòng)示警、 參數(shù)修改、 參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的初始化、 實(shí)時(shí)圖形 顯示節(jié)點(diǎn)位置等功能。 將程序下載到各節(jié)點(diǎn)后， 定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建立 和功能實(shí)現(xiàn)均通過(guò)基于LabVIEW的串口分析監(jiān)控 軟件實(shí)現(xiàn)。 LabVIEW系統(tǒng)監(jiān)控軟件流程圖如圖1所示。 開(kāi)始 讀取串口數(shù)據(jù) 分析串口數(shù)據(jù) 判斷系統(tǒng)是否建立綠燈熄滅 綠燈亮 判斷接收 到的是參考節(jié)點(diǎn)信息還 是定位節(jié)點(diǎn)信息 定位節(jié)點(diǎn)信息參考節(jié)點(diǎn)信息 將各個(gè)定位 節(jié)點(diǎn)信息顯 示在界面上 將各個(gè)參考 節(jié)點(diǎn)信息顯 示在界面上 發(fā)送查看定位節(jié)點(diǎn) 配置數(shù)據(jù)命令 發(fā)送查看參考節(jié)點(diǎn) 配置數(shù)據(jù)命令 發(fā)送參考節(jié)點(diǎn)配 置信息、 定位節(jié) 點(diǎn)配置信息等 判斷是否發(fā) 送配置信息 是 是 否 否 圖1 LabVIEW系統(tǒng)監(jiān)控軟件流程圖 系統(tǒng)操作過(guò)程如下： 首先， 配置LabVIEW的串 口通道和波特率， 運(yùn)行LabVIEW程序， 然后將網(wǎng)關(guān) 和參考節(jié)點(diǎn)上電， LabVIEW系統(tǒng)監(jiān)控軟件會(huì)首先 判斷系統(tǒng)是否建立， 若建立則表示系統(tǒng)建立的綠 燈被點(diǎn)亮。 其次， LabVIEW系統(tǒng)監(jiān)控軟件檢測(cè)系 統(tǒng)中的參考節(jié)點(diǎn)， 將其地址值顯示在界面上， 用戶(hù) 手動(dòng)為每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)配置X、 Y值， 配置成功后， 參 考節(jié)點(diǎn)的位置就以綠色節(jié)點(diǎn)的形式顯示在界面右側(cè) 的坐標(biāo)圖上。 然后， 上電定位節(jié)點(diǎn)， 定位節(jié)點(diǎn)的地址 值也將顯示在界面上， 用戶(hù)手動(dòng)配置系統(tǒng)的A、 N值 和最小參考節(jié)點(diǎn)數(shù)目， 配置成功后定位節(jié)點(diǎn)就可以 實(shí)時(shí)的顯示在界面右側(cè)的坐標(biāo)圖上。 LabVIEW系 統(tǒng)監(jiān)控軟件界面如圖2所示。 圖2 LabVIEW系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面 6 系統(tǒng)性能分析和總結(jié) 為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求， 本系 統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)通訊距離、 定位精度、 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行 了測(cè)試， 調(diào)試過(guò)程中使用串口調(diào)試工具進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 觀測(cè)， 并通過(guò)精確測(cè)量距離進(jìn)行精度驗(yàn)證， 見(jiàn)表1。 表1 系統(tǒng)性能分析統(tǒng)計(jì)表 測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試次數(shù)測(cè)試結(jié)果 節(jié)點(diǎn)通訊距離10060m 定位精度1000.7m 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間1000.8s 系統(tǒng)測(cè)試條件為： 3個(gè)已知位置的參考節(jié)點(diǎn)， 通過(guò)LabVIEW系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)定其坐標(biāo)分別為 （10， 70） 、 （10， 70） 、 （70， 70） ； 3個(gè)定位節(jié)點(diǎn)； A 取值為39dBm， N取值為16dBm。 運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。 綜上所述， 基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)具有 連接速度快、 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰、 系統(tǒng)耗電量低、 可靠 性高、 便于監(jiān)控管理等優(yōu)點(diǎn)。 7 結(jié)束語(yǔ) ZigBee技術(shù)是隨著工業(yè)自動(dòng)化對(duì)數(shù)據(jù)的傳 34 CHINA INSTRUMENTATION 2011年 第4期 工業(yè)無(wú)線(xiàn)本期主題 輸要求而產(chǎn)生和發(fā)展的， ZigBee網(wǎng)絡(luò)省電、 可靠、 成本低、 容量大、 安全， 可廣泛用于自動(dòng)化領(lǐng)域。 ZigBee定位系統(tǒng)功耗低、 響應(yīng)時(shí)間短、 成本低、 定 位精度高， 在定位領(lǐng)域上仍有較大的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的 空間。 基于LabVIEW的系統(tǒng)監(jiān)控軟件運(yùn)行速度快、 可靠性高， 界面設(shè)計(jì)更加人性化， 為無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng) 的運(yùn)行提供了可靠的保證。 參考文獻(xiàn) 1 李文仲,段朝玉等.ZigBee2006無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn) 定位實(shí)戰(zhàn)M.北京:北京航天航空大學(xué)出版社, 2008,1. 2 金純,羅祖秋等.技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析M.北京:國(guó) 防工業(yè)出版社,2008,1. 3 封福東,何加銘.ZigBee無(wú)線(xiàn)定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) J,杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008.28(5). 4 夏芮沛,翟超,方俊偉. ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)J.機(jī) 電一體化,2008.7. 5 Chipcon. CC2431 Data Sheet. Chipcon corporation Z. 作者簡(jiǎn)介： 國(guó)鑫， 碩士研究生， 研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng) 化裝置。 圖3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 第十屆 “工業(yè)自動(dòng)化與標(biāo)準(zhǔn)化”研討會(huì)將于2011年5月 2425日， 在北京-中國(guó)職工之家飯店召開(kāi)。 本次研討會(huì)將以 高端智能裝備中測(cè)控技術(shù)與應(yīng)用為主題， 圍繞企業(yè)系統(tǒng)中的 設(shè)備與集成、 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、 測(cè)控設(shè)備和工業(yè)自動(dòng)化中的能效 等四個(gè)板塊展開(kāi)研討。 2011年正值我國(guó) “十二五” 發(fā)展計(jì)劃開(kāi)局之年， 是我國(guó)高 端智能裝備向先進(jìn)制造技術(shù)、 信息技術(shù)和人工智能技術(shù)集 成方向發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。 為有助于研究院所、 企業(yè)、 用戶(hù)更加 深刻地了解國(guó)家有關(guān)政策， 使我國(guó)裝備制造業(yè)向自動(dòng)化、 智 能化、 信息化、 精密化、 綠色化邁進(jìn)， 提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力， 主 辦單位全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/ TC124） 秘書(shū)處將邀請(qǐng)國(guó)家有關(guān)主管部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)向與會(huì)代表解讀 國(guó)家 “十二五” 綱領(lǐng)計(jì)劃對(duì)自動(dòng)化和智能化與高端智能裝備 及基礎(chǔ)制造裝備發(fā)展趨勢(shì)的影響 。 同時(shí)， IEC/TC65主席及 秘書(shū)長(zhǎng)也將親臨現(xiàn)場(chǎng)， 介紹國(guó)際自動(dòng)化領(lǐng)域的最新信息和未 來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。 為使與會(huì)代表更加形象深刻地了解目前高端智能裝備中 測(cè)控技術(shù)與應(yīng)用， 研討會(huì)會(huì)場(chǎng)特別開(kāi)辟系統(tǒng)展示專(zhuān)區(qū)和論文 張貼專(zhuān)區(qū)， 以便企業(yè)向到場(chǎng)來(lái)賓展示最先進(jìn)的行業(yè)解決方案 和最新產(chǎn)品。 展示十年來(lái)自動(dòng)化行業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展， 研 討會(huì)將配套出版 第