摘要：定位節(jié)點是室內定位系統(tǒng)中的關鍵模塊，其性能對定位系統(tǒng)的定位精度等關鍵指標起著十分重要的作用。本文介紹了基于ZigBee的定位網絡的架構，闡述了定位節(jié)點硬件和軟件設計中的關鍵技術和設計方法，對定位節(jié)點主要的功能和性能指標進行了測試驗證。結果表明，本文設計的定位節(jié)點能夠滿足室內定位系統(tǒng)的需求。
關鍵詞：ZigBee；室內定位；節(jié)點；CC2530

引言
    公共安全領域內，室內定位技術在羈押場所預警監(jiān)控、取保候審、監(jiān)視居住，以及緊急情況救援與救災應急指揮調度等應用中具備良好的應用前景。ZigBee技術是一種基于IEEE 802．15．4標準的低復雜度、低功耗、低成本的無線通信技術，具有自組網、低延遲、可實現128位的AES加密和組網方式靈活等特性，非常適合用于室內定位技術的應用需求?；赯igBee技術的室內定位系統(tǒng)，具有成本低、節(jié)點續(xù)航時間長、自組網方便靈活、便于快速部署和安全性較高等優(yōu)點。

1 基于ZigBee的室內定位節(jié)點簡述
    基于ZigBee的定位網絡是一個WSN網絡(Wireless Sensor Network，無線傳感器網絡)，為定位應用系統(tǒng)提供定位特征信息及節(jié)點狀態(tài)報警信息，由網絡協(xié)調器、參考節(jié)點和盲節(jié)點組成。定位算法需要至少3個參考節(jié)點對1個盲節(jié)點進行定位。定位網絡結構圖如圖1所示。

    定位網絡中，ZigBee網絡協(xié)調器承擔著ZigBee網絡的發(fā)起和管理功能。ZigBee網絡協(xié)調器匯集定位網絡內所有參考節(jié)點產生的定位信息，并將定位信息發(fā)送給應用系統(tǒng)。
    參考節(jié)點固定布置在定位區(qū)域范圍內的特定位置上，接收盲節(jié)點發(fā)送的特征信息數據信號，并提取出該信號的場強特征信息，即RSSI(Re ceived Signal Strength Indication，接收信號強度指示)值。參考節(jié)點將其自身的特征信息和盲節(jié)點的特征信息數據、RSSI值打包生成定位信息，通過ZigBee網絡發(fā)送給ZigBee網絡協(xié)調器。參考節(jié)點是網絡中的路由節(jié)點。
    盲節(jié)點佩戴或安裝在被定位人員或物品上，周期性地通過ZigBee網絡廣播發(fā)送自身的特征信息數據。盲節(jié)點是網絡中的終端節(jié)點。
    參考節(jié)點與盲節(jié)點使用相同的硬件，通過下載參考節(jié)點或是盲節(jié)點的應用程序，實現參考節(jié)點或盲節(jié)點的功能。本文所述定位節(jié)點包括參考節(jié)點和肓節(jié)點。

2 基于ZigBee的室內定位節(jié)點硬件設計
    基于ZigBee的室內定位節(jié)點硬件電路主要由CC2530主控電路、射頻前端電路、電源模塊、加速度傳感器電路等部分組成。
2．1 CC2530主控電路設計
    本文選擇TI公司的CC2530為核心來設計節(jié)點。CC2530是一款低成本、低功耗、高集成度的ZigBee協(xié)議SoC解決方案，工作在2．4 GHz ISM頻段。CC2530內部集成有射頻收發(fā)器、增強型8051核MCU、豐富的片上存儲器和外圍接口資源，能夠為ZigBee協(xié)議棧及應用軟件提供有力的支持。CC2530功耗低，在以1 dBm功率發(fā)射時，電流消耗為29 mA；接收時，電流為24 mA。CC2530支持多種低功率工作模式(空閑模式和休眠模式等)，休眠模式切換到主動模式的超短時間特性使節(jié)能設計更方便，特別適合要求電池壽命長的應用。

    節(jié)點以CC2530芯片為核心，配合軟件優(yōu)化，在實現節(jié)點功能的同時，能夠有效節(jié)省功耗、減少體積和BOM成本。主控電路的原理圖如圖2所示。
2．2 射頻前端電路設計
    CC2530是無線SoC設計方案，只需采用較少的外圍電路即可實現基本的信號收發(fā)功能。然而，要達到理想的性能，需要設計和優(yōu)選射頻電路參數，才能夠實現穩(wěn)定的無線信號傳輸、最大的通信距離和良好的電磁兼容性能。
    CC2530的射頻輸出為差分信號，需要經過差分一單端轉換電路，才能與常用的鞭狀或貼片天線連接；另外CC2530射頻輸出端的差分阻抗為(69+j29)Ω，為實現信號的高效傳輸，需要進行阻抗變換，使射頻收發(fā)系統(tǒng)的天線接口端的阻抗等于標準的50 Ω。以上兩點功能是射頻前端電路設計的主要任務與設計目標。
    差分一單端轉換電路基于TI公司提供的參考設計進行了參數仿真和優(yōu)化，阻抗匹配網絡根據定位系統(tǒng)需求及節(jié)點硬件設計特點重新設計，保證在阻抗匹配、收斂性及電磁兼容性能等方面符合系統(tǒng)要求。
    射頻前端電路手冊圖如圖3所示。其中，Term2為50 Ω天線接口，Term1與Term3及Balun器件CMP1是模擬CC2530射頻輸出端的虛擬器件。

    在ADS2011環(huán)境下對該設計進行S參數仿真及Z參數仿真，仿真結果略——編者注。
    仿真結果顯示，匹配網絡正向傳播系數為-0．685dB，即插入損耗小于0．076；回波損耗為-22．733 dB，即小于0．073；輸入阻抗為69．181 Ω，輸出阻抗為50．221 Ω，匹配網絡較好地達到了設計目標。
2．3 電源模塊設計
    節(jié)點核心芯片CC2530的工作電壓為2～3．6 V，其射頻輸出功率和接收靈敏度受到供電電壓的影響。射頻信號強度信息是定位的關鍵信息，因此，必須保證供電電壓的穩(wěn)定，才能保證定位信息的準確。同時，參考節(jié)電與盲節(jié)點根據應用場合不同，將采取普通堿性電池、充電電池、鋰電池、直流電源等多種供電方式，輸入電源電壓范圍較寬。最后，電源模塊需要采用DC—DC轉換的方式，以提高電源轉換效率，延長電池使用時間。

    TI公司的TPS63001為一款升降壓轉化器，輸入電壓范圍為1．8～5．5 V，輸出電壓3．3 V，最大輸出電流800mA，采用3 mm×3 mm微型封裝，效率可高達96％。適用于普通堿性電池、充電電池、鋰電池等多種供電模式，具有適應范圍寬、效率高、體積小等優(yōu)點，能夠滿足電源設計的需求。電源模塊原理如圖4所示。

3 基于ZigBee的室內定位節(jié)點軟件設計
3．1 軟件結構
    節(jié)點的軟件設計基于OSAL操作系統(tǒng)、用戶應用任務(UserApp)和ZigBee設備對象任務(ZDO)一起在OSAL操作系統(tǒng)的調度下運行，其調度機制基于優(yōu)先級。其中，用戶應用任務優(yōu)先級最低。節(jié)點軟件架構如圖5所示。

    ZigBee系統(tǒng)任務在TI公司提供的Z—Stack協(xié)議棧的基礎上設計實現。ZigBee協(xié)議從上到下由應用層APS、網絡層NWK、媒體訪問控制層MAC和物理層PHY組成。應用層的主要功能與定位信息的采集與傳輸密切相關。網絡層的功能包括配置設備、路由發(fā)現和維護，確保數據安全、有效地傳輸到目的設備。媒體訪問控制層MAC控制著設備接入無線信道的時間和方法，確保數據鏈的可靠性。物理層PHY主要實現數據的發(fā)送和接收，完成信道的評估和射頻信號能量的測量。應用層APS數據從一個ZigBee設備發(fā)送到另一個ZigBee設備，是一個層次封裝，然后層次解析的過程。數據傳遞流程如圖6所示。

3．2 ZigBee軟件設計
    節(jié)點加入ZigBee網絡運行是定位系統(tǒng)運行的基礎，關系到定位數據的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。節(jié)點上電后，首先進行硬件初始化和網絡初始化。節(jié)點加入網絡的過程如下：節(jié)點在預先設定的信道上資料存入自己的相鄰表。在相鄰表所有父節(jié)點中選擇一個深度最小的，并對其發(fā)出入網請求信息。如果發(fā)出的請求被批準，父節(jié)點會分配給它一個2字節(jié)的網絡地址，此時入網成功；如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請求信息，直到加入網絡或相鄰表中都沒有合適的父節(jié)點，則入網失敗，中止過程。
    當節(jié)點與網絡鏈接中斷，則需要重新入網，這類節(jié)點被稱為孤節(jié)點。孤節(jié)點的相鄰表中存有原父節(jié)點的信息，它可以直接給原父節(jié)點發(fā)送加入網絡的請求信息。如果父節(jié)點有能力同意它加入，則直接告之它以前被分配的網絡地址，孤節(jié)點重新入網成功；如果此時原父節(jié)點的網絡地址已經分配滿，父節(jié)點便無法批準它加入網絡，孤節(jié)點只能以新節(jié)點的身份重新尋找并加入網絡。孤節(jié)點的入網處理方法對于定位系統(tǒng)穩(wěn)定和數據可靠具有重要意義。
    ZigBee節(jié)點加入網絡的流程圖如圖7所示。

    節(jié)點在ZigBee網絡內的數據傳輸是系統(tǒng)定位的關鍵。ZigBee定位網絡存在兩種數據的交互：RSSI特征信息數據和定位信息數據。簇ID是ZigBee協(xié)議定義的重要配置信息，用于區(qū)分ZigBee網絡傳輸中不同的數據類型。盲節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)送自身特征信息數據時采用的簇ID為GETRSSI—CLU，參考節(jié)點向協(xié)調器轉發(fā)定位信息數據時使用的簇ID為INFO—CLU。
    ZigBee數據的發(fā)送通過調用AF_DataRequest()函數實現。ZigBee數據的接收由Z—Stack完成，接收數據完成后協(xié)議棧觸發(fā)SYS_EVENT_MSG事件和AF_INCOMING_MSG_CMD消息，OSAL在接收到該事件和消息后，調用用戶應用任務進行后續(xù)處理。
3．3 軟件流程
    節(jié)點加入網絡后，通過應用任務進行程序設計，實現節(jié)點特征信息的定時廣播發(fā)送、定位信息的生成和發(fā)送、路由轉發(fā)、節(jié)點狀態(tài)信息的檢測與報警信息發(fā)送等功能。盲節(jié)點和參考節(jié)點的應用程序流程如圖8所示。

4 測試結果
    為驗證節(jié)點功能，對本文描述的基于ZigBee的室內定位節(jié)點進行了相應的測試。測試環(huán)境為室內走廊環(huán)境，2個參考節(jié)點分別放置在長度為58 m的走廊兩端位置，測試者持盲節(jié)點在走廊的兩端之間勻速往復走動，實時記錄節(jié)點收發(fā)數據、報警狀態(tài)信息，以及實時跟蹤定位信息隨距離變化的結果，測試結果略——編者注。
    為驗證節(jié)點的功耗性能，本文對盲節(jié)點工作模式和空閑模式的功耗分別進行了測試。盲節(jié)點供電電壓為3．3 V，正常工作時，以2 Hz的頻率更新定位信息數據，平均電流實測為11．3 mA；空閑模式實測電流低至1．2 mA。節(jié)點設計較好地實現了低功耗的設計目標。實驗表明：本文所設計的節(jié)點在室內定位系統(tǒng)測試中，能夠滿足定位系統(tǒng)對節(jié)點的功能及性能要求。

結語
    本文討論了基于CC2530的室內定位節(jié)點的設計與實現，對節(jié)點設計中的關鍵技術進行了介紹。經實驗證明，節(jié)點具有網絡通信穩(wěn)定、工作距離遠、功能豐富和功耗低等優(yōu)點。在殲展的基于ZigBee的室內定位系統(tǒng)測試和應用中取得了良好的效果。