基于CC2431的室内定位系统

摘 要：在室内环境下对移动目标定位可使用的技术主要有超声波定位技术、射频识别技术以及基于接收信号强度(RSSI)的定位技术。经过比较，基于接收信号强度(RSSI)的定位技术更适合于复杂的室内环境。介绍基于RSSI定位机制的CC2431片内集成定位引擎在室内定位系统中的应用，并在室内环境下进行了实测，其定位效果良好。
关键词：CC2431；信号接收强度；定位引擎；室内定位

随着无线通信和无线传感器网络技术的发展，基于位置的服务(LBS)显得越来越重要。在室外环境下，全球定位系统(GPS)已经比较成功地解决了定位问题，它通过GPS接收机测量来自5～24个卫星信号的到达时间差(TDOA)进行位置估算，可以提供接近全球的定位覆盖范围。而在室内环境下，GPS系统由于卫星信号被阻隔而无法完成定位。与此同时，室内定位服务的需求日益增加，室内定位技术的研究成为各大高校、研究机构和企业的一个研究热点。

1 室内定位技术
目前已有的室内定位技术主要有：超声波定位技术、射频识别技术(RFID)以及基于接收信号强度(RS―SI)的定位技术。
超声波定位技术大都采用反射式测距法，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。超声波定位系统由若干应答器和1个主测距器组成。主测距器放置在被测物体上，在上位机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线信号，应答器在收到无线信号后向主测距器发射超声波信号，从而得到主测距器与各个应答器之间的距离，进而确定被测物体的坐标。Cricket Loca―tion Support System和Active Bat Location System是目前成功使用的两个系统。但是这类系统需要大量的底层硬件设施投资，成本太高，无法大面积推广。
射频识别(RFID)系统主要由电子标签、读卡器以及在标签与读卡器之间传递射频信号的微型天线3部分组成。当标签置于读卡器发出固定频率的电磁场附近获得了能量并产生上电复位后，原本处于“休眠状态”的标签被激活，并将含有自身种类识别码标志、制造商标志等信息代码调制到载波上经卡内天线发射出去，供读卡器处理识别。该定位技术最典型的例子是LAND―MARC系统，该系统用活性参考标签Tag替代离线数据采集，其动态参考信息能够实时捕捉环境变化，提高定位精度和可信度。活性参考标签Tag的应用免去了每个测试点数百次的人工数据采集，且能更好地适应室内环境的波动，提高定位精度。该项技术的定位精度在很大程度上与设备的数量和分布有关，并要求有与之相配套的设备和基础设施。
基于接收信号强度(RSSI)定位技术，并根据接收节点收到的信号强度，计算出信号的传播损耗；利用理论与经验模型，将传输损耗转化为距离，再计算出节点的位置。目前很多控制芯片都具有测量RSSI的功能，无需添加额外的硬件设备来进行精确的时间同步和角度测量，降低了成本，系统的可扩展性良好。因此该项技术已成为室内定位技术的研究热点。

2 CC2431定位系统
CC2431是TI公司推出的针对无线传感器网络ZigBeeTM／IEEE 802．15．4应用的片上系统(SoC)解决方案。其内部集成了CC2420射频收发器、工业标准增强型8051MCU内核、128 KB Flash ROM和8 KBRAM。由于CC2431可工作在4种工作模式下，且工作模式之间的转换时间较短，因而能够满足超低功耗系统的要求。CC2431的主要性能特点如下：
(1)定位引擎能精确计算网络中节点位置；
(2)具有高性能低功耗的8051控制器核；
(3)集成符合IEEE 802．15．4标准的2．4 GHz RF无线收发机(具有工业级领先的CC2420射频内核)；
(4)优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能；
(5)128 KB可编程闪存；
(6)8 KB RAM，4 KB带所有功耗模式数据保持功能；
(7)强大的DMA功能；
(8)极少的外部元器件；
(9)网状网络仅需单一晶体；
(10)低电流损耗(微控制器运行于32 MHz时，接收和发射分别为27 mA和25 mA)；
(11)休眠模式时仅0．9μA电流损耗，外部中断或RTC能唤醒系统；
(12)待机模式下小于O．6μA电流损耗，外部中断能唤醒系统；
(13)低功耗模式与主动模式之间的快速切换保证了低占空比系统的超低平均功耗；
(14)硬件支持CSMA／CA功能；
(15)较宽的电压范围(2．O～3．6V)；
(16)数字化的RSSI／LQI支持；
(17)具有电池监测和温度传感器；
(18)多达8路输入的8～14位模／数转换；
(19)集成AES一128安全协处理器；
(20)带有两个功能强大的支持多组协议的USART；
(21)支持硬件调试；
(22)集成看门狗定时器；
(23)具有1个符合IEEE 802．15．4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和两个8位计时器；
(24)21个普通I／O引脚，其中两个具有20 mA驱动能力；
(25)强大灵活的开发工具。
2．1 CC2431定位引擎的操作
CC2431的定位引擎采用基于接收信号强度指示(RSSI)的距离定位方法，根据接收信号强度及已知参考节点位置，准确计算出待定位节点的位置，然后将位置信息发送给接收端，与集中型定位系统相比，进行分布节点定位，以减少网络通信量和网络通信延迟。CC2431的定位引擎操作流程如图1所示。