基于CC2431的室內定位系統

摘 要：在室內環境下對移動目標定位可使用的技術主要有超聲波定位技術、射頻識別技術以及基于接收信號強度(RSSI)的定位技術。經過比較，基于接收信號強度(RSSI)的定位技術更適合于復雜的室內環境。介紹基于RSSI定位機制的CC2431片內集成定位引擎在室內定位系統中的應用，并在室內環境下進行了實測，其定位效果良好。
關鍵詞：CC2431；信號接收強度；定位引擎；室內定位

隨著無線通信和無線傳感器網絡技術的發展，基于位置的服務(LBS)顯得越來越重要。在室外環境下，全球定位系統(GPS)已經比較成功地解決了定位問題，它通過GPS接收機測量來自5～24個衛星信號的到達時間差(TDOA)進行位置估算，可以提供接近全球的定位覆蓋范圍。而在室內環境下，GPS系統由于衛星信號被阻隔而無法完成定位。與此同時，室內定位服務的需求日益增加，室內定位技術的研究成為各大高校、研究機構和企業的一個研究熱點。

1 室內定位技術
目前已有的室內定位技術主要有：超聲波定位技術、射頻識別技術(RFID)以及基于接收信號強度(RS―SI)的定位技術。
超聲波定位技術大都采用反射式測距法，即發射超聲波并接收由被測物產生的回波，根據回波與發射波的時間差計算出待測距離。超聲波定位系統由若干應答器和1個主測距器組成。主測距器放置在被測物體上，在上位機指令信號的作用下向位置固定的應答器發射同頻率的無線信號，應答器在收到無線信號后向主測距器發射超聲波信號，從而得到主測距器與各個應答器之間的距離，進而確定被測物體的坐標。Cricket Loca―tion Support System和Active Bat Location System是目前成功使用的兩個系統。但是這類系統需要大量的底層硬件設施投資，成本太高，無法大面積推廣。
射頻識別(RFID)系統主要由電子標簽、讀卡器以及在標簽與讀卡器之間傳遞射頻信號的微型天線3部分組成。當標簽置于讀卡器發出固定頻率的電磁場附近獲得了能量并產生上電復位后，原本處于“休眠狀態”的標簽被激活，并將含有自身種類識別碼標志、制造商標志等信息代碼調制到載波上經卡內天線發射出去，供讀卡器處理識別。該定位技術最典型的例子是LAND―MARC系統，該系統用活性參考標簽Tag替代離線數據采集，其動態參考信息能夠實時捕捉環境變化，提高定位精度和可信度。活性參考標簽Tag的應用免去了每個測試點數百次的人工數據采集，且能更好地適應室內環境的波動，提高定位精度。該項技術的定位精度在很大程度上與設備的數量和分布有關，并要求有與之相配套的設備和基礎設施。
基于接收信號強度(RSSI)定位技術，并根據接收節點收到的信號強度，計算出信號的傳播損耗；利用理論與經驗模型，將傳輸損耗轉化為距離，再計算出節點的位置。目前很多控制芯片都具有測量RSSI的功能，無需添加額外的硬件設備來進行精確的時間同步和角度測量，降低了成本，系統的可擴展性良好。因此該項技術已成為室內定位技術的研究熱點。

2 CC2431定位系統
CC2431是TI公司推出的針對無線傳感器網絡ZigBeeTM／IEEE 802．15．4應用的片上系統(SoC)解決方案。其內部集成了CC2420射頻收發器、工業標準增強型8051MCU內核、128 KB Flash ROM和8 KBRAM。由于CC2431可工作在4種工作模式下，且工作模式之間的轉換時間較短，因而能夠滿足超低功耗系統的要求。CC2431的主要性能特點如下：
(1)定位引擎能精確計算網絡中節點位置；
(2)具有高性能低功耗的8051控制器核；
(3)集成符合IEEE 802．15．4標準的2．4 GHz RF無線收發機(具有工業級領先的CC2420射頻內核)；
(4)優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性能；
(5)128 KB可編程閃存；
(6)8 KB RAM，4 KB帶所有功耗模式數據保持功能；
(7)強大的DMA功能；
(8)極少的外部元器件；
(9)網狀網絡僅需單一晶體；
(10)低電流損耗(微控制器運行于32 MHz時，接收和發射分別為27 mA和25 mA)；
(11)休眠模式時僅0．9μA電流損耗，外部中斷或RTC能喚醒系統；
(12)待機模式下小于O．6μA電流損耗，外部中斷能喚醒系統；
(13)低功耗模式與主動模式之間的快速切換保證了低占空比系統的超低平均功耗；
(14)硬件支持CSMA／CA功能；
(15)較寬的電壓范圍(2．O～3．6V)；
(16)數字化的RSSI／LQI支持；
(17)具有電池監測和溫度傳感器；
(18)多達8路輸入的8～14位模／數轉換；
(19)集成AES一128安全協處理器；
(20)帶有兩個功能強大的支持多組協議的USART；
(21)支持硬件調試；
(22)集成看門狗定時器；
(23)具有1個符合IEEE 802．15．4規范的MAC計時器，1個常規的16位計時器和兩個8位計時器；
(24)21個普通I／O引腳，其中兩個具有20 mA驅動能力；
(25)強大靈活的開發工具。
2．1 CC2431定位引擎的操作
CC2431的定位引擎采用基于接收信號強度指示(RSSI)的距離定位方法，根據接收信號強度及已知參考節點位置，準確計算出待定位節點的位置，然后將位置信息發送給接收端，與集中型定位系統相比，進行分布節點定位，以減少網絡通信量和網絡通信延遲。CC2431的定位引擎操作流程如圖1所示。