呂　源　李　軍

摘 要：在室內(nèi)環(huán)境下對(duì)移動(dòng)目標(biāo)定位可使用的技術(shù)主要有超聲波定位技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)以及基于接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）的定位技術(shù)。經(jīng)過比較，基于接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）的定位技術(shù)更適合于復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境。介紹基于RSSI定位機(jī)制的CC2431片內(nèi)集成定位引擎在室內(nèi)定位系統(tǒng)中的應(yīng)用，并在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)測(cè)，其定位效果良好。

關(guān)鍵詞：CC2431；信號(hào)接收強(qiáng)度；定位引擎；室內(nèi)定位

中圖分類號(hào)：TP274;TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004 373X(2009)02 095 03

Indoor Location System Based on CC2431

LV Yuan,LI Jun

(College of Electronic Information & Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing,100022,China)

Abstract：The technology of locating mobile target in indoor environment includes ultrasonic localization,RFID and received－signal－strength－based localization.By comparison,the received－signal－strength－based localization is more suited for the complex indoor environment.It introduces the location engine integrated in CC2431 and the application of location engine in indoor localization.Finally,the localization system is used in real indoor environment and gains satisfied effectiveness.

Keywords：CC2431;received－signal－strength;location engine;indoor localization

隨著無線通信和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于位置的服務(wù)（LBS）顯得越來越重要。在室外環(huán)境下，全球定位系統(tǒng)（GPS）已經(jīng)比較成功地解決了定位問題，它通過GPS接收機(jī)測(cè)量來自5~24個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差（TDOA）進(jìn)行位置估算，可以提供接近全球的定位覆蓋范圍。而在室內(nèi)環(huán)境下，GPS系統(tǒng)由于衛(wèi)星信號(hào)被阻隔而無法完成定位。與此同時(shí)，室內(nèi)定位服務(wù)的需求日益增加，室內(nèi)定位技術(shù)的研究成為各大高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的一個(gè)

研究熱點(diǎn)。

1 室內(nèi)定位技術(shù)

目前已有的室內(nèi)定位技術(shù)主要有：超聲波定位技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)以及基于接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）的定位技術(shù)。

超聲波定位技術(shù)［1］大都采用反射式測(cè)距法，即發(fā)射超聲波并接收由被測(cè)物產(chǎn)生的回波，根據(jù)回波與發(fā)射波的時(shí)間差計(jì)算出待測(cè)距離。超聲波定位系統(tǒng)由若干應(yīng)答器和1個(gè)主測(cè)距器組成。主測(cè)距器放置在被測(cè)物體上，在上位機(jī)指令信號(hào)的作用下向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同頻率的無線信號(hào)，應(yīng)答器在收到無線信號(hào)后向主測(cè)距器發(fā)射超聲波信號(hào)，從而得到主測(cè)距器與各個(gè)應(yīng)答器之間的距離，進(jìn)而確定被測(cè)物體的坐標(biāo)。Cricket Location Support System和Active Bat Location System是目前成功使用的兩個(gè)系統(tǒng)。但是這類系統(tǒng)需要大量的底層硬件設(shè)施投資，成本太高，無法大面積推廣。

射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀卡器以及在標(biāo)簽與讀卡器之間傳遞射頻信號(hào)的微型天線3部分組成。當(dāng)標(biāo)簽置于讀卡器發(fā)出固定頻率的電磁場(chǎng)附近獲得了能量并產(chǎn)生上電復(fù)位后,原本處于“休眠狀態(tài)”的標(biāo)簽被激活，并將含有自身種類識(shí)別碼標(biāo)志、制造商標(biāo)志等信息代碼調(diào)制到載波上經(jīng)卡內(nèi)天線發(fā)射出去,供讀卡器處理識(shí)別。該定位技術(shù)最典型的例子是LANDMARC系統(tǒng)［2］，該系統(tǒng)用活性參考標(biāo)簽Tag替代離線數(shù)據(jù)采集，其動(dòng)態(tài)參考信息能夠?qū)崟r(shí)捕捉環(huán)境變化，提高定位精度和可信度。活性參考標(biāo)簽Tag的應(yīng)用免去了每個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)百次的人工數(shù)據(jù)采集，且能更好地適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境的波動(dòng)，提高定位精度。該項(xiàng)技術(shù)的定位精度在很大程度上與設(shè)備的數(shù)量和分布有關(guān)，并要求有與之相配套的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。

基于接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）［3］定位技術(shù)，并根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗；利用理論與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離，再計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。目前很多控制芯片都具有測(cè)量RSSI的功能，無需添加額外的硬件設(shè)備來進(jìn)行精確的時(shí)間同步和角度測(cè)量，降低了成本，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性良好。因此該項(xiàng)技術(shù)已成為室內(nèi)定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

2 CC2431定位系統(tǒng)

CC2431［4］是TI公司推出的針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBeeTM / IEEE 802.15.4應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。其內(nèi)部集成了CC2420射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核、128 KB Flash ROM和8 KB RAM。由于CC2431可工作在4種工作模式下，且工作模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，因而能夠滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。CC2431的主要性能特點(diǎn)如下:

(1) 定位引擎能精確計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置；

(2) 具有高性能低功耗的8051控制器核；

(3) 集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz RF無線收發(fā)機(jī)（具有工業(yè)級(jí)領(lǐng)先的CC2420射頻內(nèi)核）；

(4) 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能；

(5) 128 KB可編程閃存；

(6) 8 KB RAM，4 KB帶所有功耗模式數(shù)據(jù)保持功能；

(7) 強(qiáng)大的DMA 功能；

(8) 極少的外部元器件；

(9) 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)僅需單一晶體；

(10) 低電流損耗（微控制器運(yùn)行于32 MHz時(shí)，接收和發(fā)射分別為27 mA和25 mA）；

(11) 休眠模式時(shí)僅0.9 μA電流損耗，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；

(12) 待機(jī)模式下小于0.6 μA電流損耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；

(13) 低功耗模式與主動(dòng)模式之間的快速切換保證了低占空比系統(tǒng)的超低平均功耗；

(14) 硬件支持CSMA/CA功能；

(15) 較寬的電壓范圍（2.0~3.6 V）；

(16) 數(shù)字化的RSSI/LQI支持；

(17) 具有電池監(jiān)測(cè)和溫度傳感器；

(18) 多達(dá)8路輸入的8~14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換；

(19) 集成AES－128安全協(xié)處理器；

(20) 帶有兩個(gè)功能強(qiáng)大的支持多組協(xié)議的USART;

(21) 支持硬件調(diào)試；

(22) 集成看門狗定時(shí)器；

(23) 具有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)器和兩個(gè)8位計(jì)時(shí)器；

(24) 21個(gè)普通I/O引腳，其中兩個(gè)具有20 mA驅(qū)動(dòng)能力；

(25) 強(qiáng)大靈活的開發(fā)工具。

2.1 CC2431定位引擎的操作

CC2431的定位引擎采用基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的距離定位方法，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度及已知參考節(jié)點(diǎn)位置，準(zhǔn)確計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端，與集中型定位系統(tǒng)相比，進(jìn)行分布節(jié)點(diǎn)定位，以減少網(wǎng)絡(luò)通信量和網(wǎng)絡(luò)通信延遲。CC2431的定位引擎操作流程如圖1所示。

圖1 CC2431定位引擎操作流程

定位引擎需要3~16個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)［x0,y0,x1,y1,…,x15,y15］作為輸入。參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)表示每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的位置，是在［0,63.75］范圍內(nèi)的無符號(hào)數(shù)值。最高分辨率為0.25 m。所有參考坐標(biāo)被裝載入RF寄存器REFCOORD。在寫入寄存器REFCOORD之前，寄存器LOCENG.REFLD位必須置1以指示有1組參考坐標(biāo)要寫入。16個(gè)坐標(biāo)對(duì)都必須寫入，當(dāng)定位引擎使用的參考節(jié)點(diǎn)數(shù)少于16個(gè)時(shí)，為了標(biāo)記某些參考坐標(biāo)未使用，將0載入作為未使用的參考坐標(biāo)值，這些參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值為0.0。當(dāng)所有參考坐標(biāo)寫入后，LOCENG.REFLD=0。定位引擎除了需要參考坐標(biāo)外，還需要一組測(cè)量參數(shù)，這些參數(shù)包括：2個(gè)射頻參數(shù)A和n，4個(gè)搜索邊界坐標(biāo)和16個(gè)RSSI值。定義參數(shù)A為距離發(fā)射機(jī)1 m參考距離下接收信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值，定位引擎要求參數(shù)A的范圍為［30.0，50.0］，精度為0.5。參數(shù)A為無符號(hào)定點(diǎn)值，最后一位為小數(shù)位，其余位表示整數(shù)部分。參數(shù)n被定義為路徑損耗指數(shù)（描述信號(hào)功率隨著距離的增加而衰減的速率），這種衰減正比于d－n（d表示發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離）。在估算定位x,y坐標(biāo)時(shí)，先設(shè)定搜索邊界，以降低錯(cuò)誤和估計(jì)時(shí)間，最大搜索區(qū)域的x,y范圍為［0.0，63.75］。假設(shè)定位引擎搜索被限制在一個(gè)矩形區(qū)域，坐標(biāo)為（x璵in,y璵in）和（x璵ax,y璵ax），輸入定位引擎的4個(gè)搜索邊界參數(shù)為x璵in,x璬elta,y璵in,y璬elta，其中x璬elta=x璵ax－x璵iny璬elta=y璵ax－y璵in，如果選擇在整個(gè)可能的區(qū)域內(nèi)搜索，則這4個(gè)參數(shù)值為：0.0，63.75，0.0，63.75。如果某個(gè)參數(shù)遺漏，則定位引擎無法正確地估算位置。RSSI值是對(duì)應(yīng)于一組參考坐標(biāo)的RSSI測(cè)量值，其范圍在［-40 dBm，-95 dBm］，精度0.5 dBm，寫入時(shí)符號(hào)被去掉。如果使用的參考節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)少于16個(gè)，則必須寫入0.0作為接收信號(hào)強(qiáng)的度值。所有測(cè)量得到的參數(shù)都裝載入RF寄存器MEASPARM。在寫入MEASPARM之前，寄存器位LOCENG.PARLD必須置1，以指示有1組測(cè)量得到的參數(shù)要寫入。參數(shù)裝載過程開始后，所有22個(gè)參數(shù)都必須被寫入。測(cè)量得到的參數(shù)寫入順序?yàn)椋跘,n,x璵in,x璬elta,y璵in,y璬elta,RSSI0,RSSI1,…,RSSI15］。當(dāng)參考坐標(biāo)和測(cè)量得到的參數(shù)寫入后，通過將寄存器位LOCENG.RUN置1啟動(dòng)定位估計(jì)計(jì)算。當(dāng)LOCENG.DONE置1時(shí)，估計(jì)得到的坐標(biāo)可以從寄存器LOCX和LOCY中讀出。LOCENG.RUN置1到讀出估計(jì)坐標(biāo)的時(shí)間間隔則根據(jù)搜索邊界參數(shù)的不同在50 μs~13 ms之間變化。定位引擎不產(chǎn)生任何中斷請(qǐng)求。由LOCX寄存器給出的x坐標(biāo)估計(jì)值包含一個(gè)偏移量，該偏移量必須被去除，以得到真實(shí)的x坐標(biāo)。去除的方法如下：x=(x璍OCX－x璵in+1)%(x璬elta+1)+x璵in?？芍苯邮褂糜蒐OCY寄存器給出的y坐標(biāo)估計(jì)值。

2.2 CC2431定位系統(tǒng)的操作流程

CC2431定位系統(tǒng)［4］由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理設(shè)備、參考節(jié)點(diǎn)與盲節(jié)點(diǎn)組成。其中，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理設(shè)備使用串口發(fā)送和接收定位協(xié)議消息，它依附于主系統(tǒng)并且被用作匯聚節(jié)點(diǎn)接收盲節(jié)點(diǎn)響應(yīng)、配置參考節(jié)點(diǎn)以及設(shè)置盲節(jié)點(diǎn)參數(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理設(shè)備應(yīng)用程序接收到盲節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)信息時(shí)，通過串口把數(shù)據(jù)傳給主系統(tǒng)。盲節(jié)點(diǎn)包含CC2431定位引擎，定位引擎通過無線測(cè)距范圍內(nèi)應(yīng)答的參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及發(fā)送至這些參考節(jié)點(diǎn)信息的RSSI值完成定位運(yùn)算。盲節(jié)點(diǎn)首先發(fā)出一定時(shí)序的RSSI Blast信息廣播，當(dāng)?shù)却す?jié)點(diǎn)已配置完成規(guī)定的時(shí)間間隔后，盲節(jié)點(diǎn)向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出XY－RSSI請(qǐng)求廣播，每個(gè)接收到RSSI Blast信息廣播的參考節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行接收到信息的RSSI值計(jì)算，當(dāng)接收到XY－RSSI請(qǐng)求時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)將向盲節(jié)點(diǎn)發(fā)回其位置信息以及RSSI值。整個(gè)定位系統(tǒng)的定位時(shí)序圖如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及驗(yàn)證結(jié)果

這里以TI公司的CC2431節(jié)點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選擇8.0 m×8.0 m的實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)地測(cè)試環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室的4個(gè)墻角及中間位置布置了5個(gè)CC2431作為參考節(jié)點(diǎn)，其位置已知且固定不動(dòng)。盲節(jié)點(diǎn)對(duì)均勻分布在測(cè)試環(huán)境內(nèi)的49個(gè)點(diǎn)進(jìn)行定位測(cè)試，定位結(jié)果如圖3所示：

圖2 定位系統(tǒng)定位時(shí)序圖

圖3 定位測(cè)試結(jié)果

根據(jù)獲取的待定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以得到系統(tǒng)的定位誤差，定位誤差的分布如圖4所示：

圖4 定位誤差累積分布函數(shù)曲線

由圖4曲線可以看出，在室內(nèi)環(huán)境下，采用CC2431定位系統(tǒng)能夠分別實(shí)現(xiàn)50%和90%的定位，結(jié)果誤差前者在1.0 m以內(nèi)，后者在2.5 m以內(nèi)，完全能夠達(dá)到室內(nèi)環(huán)境下定位精度的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

首先比較目前已有的室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)介紹CC2431定位引擎的使用方法和CC2431定位系統(tǒng)的定位流程。完成了定位系統(tǒng)的部署，定位結(jié)果令人滿意。CC2431能夠滿足低功耗、抗干擾、準(zhǔn)確快速定位的要求，為室內(nèi)定位提供具有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。

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作者簡(jiǎn)介 呂 源 山東嘉祥人，北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生。主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)定位技術(shù)。

李 軍 山東煙臺(tái)人，北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生。主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)定位技術(shù)。