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CC2431的无线定位技术研究

发布时间:2021-01-05 发布时间:
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引言
GPS等卫星导航定位技术广泛应用于各种领域。然而在室内、地下等场合的定位需求却有其局限性。近几年来,随着IEEE 802.15.4商业标准的逐渐完善,无线传感器网络(WSN)的相关技术开始被广泛讨论和研究。随着,TI公司提出带硬件定位引擎的片上系统(SoC)解决方案CC2431。以及WSN用于无线定位技术被广泛研究,该器件能满足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4无线传感器网络的应用需要,CC2431的定位引擎基于接收信号强度指示RSSI(Received Signal StrengthIndicator)技术,相比于集中型定位系统,RSSI功能降低网络流量与通信延迟,在典型应用中可实现3~5 m的定位精度和0.25 m的分辨率。这里基于RSSI定位技术,详细介绍CC2431无线定位系统的构成、定位原理,并实现了基于CC2431无线定位系统的设计。

2 CC2431简介
CC2431以强大的IAR集成开发环境为支持,结合Zig-Bee协议栈、工具包和参考设计,展示领先的ZigBee解决方案,其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线传感器网络等领域,同时也适用于ZigBee之外的2.4 GHz频率的其他设备。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至接收端。

3 基于CC2431定位原理及实现
3.1 RSSI定位技术
RSSI是指节点接收到的无线信号强度大小。在基于RSSI的定位中,已知发射节点的发射信号强度,接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗。利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离.并进一步利用三角定位法确定待定位节点位置。该技术硬件要求较低、算法相对简单,并且一些通信协议中已携带有RSSI的信息,这样使得基于RSSI定位方法具有广泛的应用前景。该技术在实验室环境中表现出良好特性,但由于环境因素变化等原因.实际应用中还需进一步改进。
3.2 基于CC2431的定位系统
定位系统由参考节点和定位节点组成。参考节点是一个位于已知位置的静态节点,该节点确知自身的位置并可将其位置通过发送数据包通知其他参考节点(采用CC2430)。定位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,然后读出由定位引擎计算得到的自身位置。
由参考节点发送给定位节点的数据包至少包含参考节点的坐标参数水平位置X和垂直位置Y。而RSSI值可由接收节点计算获得。图1为具体定位系统原理框图。

该定位系统原理框图中各部分的作用如下:
(1)主机 采用一台普通的PC,主机连接网关实现对整个网络的工作调度,编写的定位软件可实时观察各个定位节点和参考节点的运行情况。
(2)网关 该网关用于组建一个ZigBee WSN网络,并充当协调器,把定位节点坐标及外部环境参数传送给主机。
(3)参考节点 在网络中充当路由器的角色。而且在定位系统中,它由用户指定固定坐标,并为定位节点提供该坐标和RSSI平均值。参考节点(reference node)是一种已知静态节点,其坐标(x,y)是固定的,并且不参与定位计算,可由CC2430或CC2431器件实现。一个定位区域通常由8个参考节点组成。系统至少需要3~4个参考节点才能进行定位。本文采用CC2430作为参考节点来实现。
(4)定位节点 其内部具有定位引擎,能够根据参考节点提供的同定坐标和RSSI平均值计算出自身的精确位置(坐标),并把该坐标协同定位节点标识号发送给网关。本文中核心器件采用CC2431实现。
3.3 定位工作流程
定位节点(blind node)是一类可移动的节点,可在参考节点包围的区域内任意移动。定位节点接收区域内所有参考节点的RSSI值后,通过定位算法来计算其坐标位置。定位节点南CC2431器件实现。采用该器件,可实现0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度,定位时间小于40μs。图2是参考节点工作流程图,图3为定位节点工作流程图。



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