ZigBee技术实现定位的优势 - 基于ZigBee的室内定位系统设计

2  ZigBee技术实现定位的优势

(1) 功耗低

　　由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1 mW,而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。ZigBee设备仅靠2节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，其功耗远远低于其他无线设备。

(2) 成本低

　　与 GPS相比，定位引擎在单芯片 ZigBee RF收发器中与 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协议是免专利费的。

(3) 时延短

　　通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30 ms，休眠激活的时延是15 ms，活动设备信道接入的时延为15 ms。因此ZigBee技术适用于对实时定位要求较高的应用。

(4) 网络容量大

　　一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，组网方式灵活。随着ZigBee技术的成熟，未来ZigBee设备不断增多，可以利用具有ZigBee RF的设备或基础设施,容易组建ZigBee网络，降低了ZigBee节点设计和组网成本,且利用更多的ZigBee设备可以达到更高的定位精度。

3  室内定位系统设计

3.1  系统结构

　　定位系统由盲节点（即待定位节点）和参考节点组成，为了便于用户获得位置信息，还需要一个与用户进行交互的控制终端和一个ZigBee网关。系统结构如图2所示。

 

图2  系统结构图

　　参考节点是一个位于已知位置的静态节点,这个节点知道自己的位置并可以将其位置通过发送数据包通知其他节点。盲节点从参考节点处接收数据包信号,获得参考节点位置坐标及相应的RSSI值并将其送入定位引擎,然后可以读出由定位引擎计算得到的自身位置。由参考节点发送给盲节点的数据包至少包含参考节点的坐标参数水平位置X和竖直位置Y,而RSSI值可由接收节点计算获得。

　　一般来说参考节点越多越好,要得到一个可靠的定位坐标至少需要3个参考节点。如果参考节点太少,节点间影响会很大，得到的位置信息就不精确，误差大。对于CC2431,要得到好的定位精度，需要8个参考节点；如果得不到8个节点,则应该使用尽可能多的节点。CC2431的无线定位引擎可以处理最高达64 m的X、Y值。

　　为了收集计算得到的数据和与无线节点网络交互，特定的控制系统是必需的。一个典型的控制单元是一台计算机，然而一个PC没有一个嵌入的无线接收器，因此接收器需要从外部接入，还需要一个ZigBee网关。ZigBee网关的作用就是将无线网络连接到控制终端，所有位置计算都由盲节点来实现，所以控制终端不需要具备任何位置计算功能。它的唯一目的是让用户和无线网络进行交互，比如获得盲节点的位置信息。

3.2  CC2431芯片简介

　　CC2431是TI公司推出的带硬件定位引擎的片上系统(SoC)解决方案,能满足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4无线传感器网络的应用需要。CC2431的定位引擎基于RSSI技术,根据接收信号强度与已知参考节点位置准确计算出有关节点位置,然后将位置信息发送给接收端。

　　CC2431由2.4 GHz直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心和增强型工业标准的8位8051微控制器组成,是带有128 KB闪存的8051内核ZigBee无线单片机,并带有定位跟踪引擎。CC2431的设计结合了8 KB的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，它们是根据不同的闪存空间32 KB、64 KB和128 KB来优化复杂度与成本的组合。CC2431的尺寸只有7 mm×7 mm的48脚封装，采用具有内嵌闪存的0.18 μm CMOS标准技术。针对协议栈、网络和应用软件执行时对MCU处理能力的要求，CC2431包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行的时钟频率为32 MHz。CC2431还包含一个DMA控制器，它能够被用于减轻8051微控制器内核对数据搬移的操作，因此提高了芯片整体的性能。

　　系统基本硬件连接电路如图3所示。连接50 Ω单极天线的部分由电感和电容构成,其中的电感L1、L2还为芯片内部的低噪声放大器和功放提供直流偏置。也可采用一个无需阻抗匹配电路的折叠式偶极子PCB天线。图3中，XTAL1为一个等效串联电阻(ESR)<60 Ω的32 MHz晶振，R1为其建立精确的偏置电路，C1、C2是去耦电容，用于电源滤波，向电压调节器提供稳定的核心电压。

　　图3中，CC231还提供了良好的接地保护功能，除了48引脚外，其芯片底层提供了AGND接地引脚，可以有效地抑制噪声，减少电磁干扰，保证电路系统稳定工作。

 

图3  系统基本硬件连接电路