无线传感器网络的室内定位节点设计

引言
公共安全领域内，室内定位技术在羁押场所预警监控、取保候审、监视居住，以及紧急情况救援与救灾应急指挥调度等应用中具备良好的应用前景。ZigBee技术是一种基于IEEE 802．15．4标准的低复杂度、低功耗、低成本的无线通信技术，具有自组网、低延迟、可实现128位的AES加密和组网方式灵活等特性，非常适合用于室内定位技术的应用需求。基于ZigBee技术的室内定位系统，具有成本低、节点续航时间长、自组网方便灵活、便于快速部署和安全性较高等优点。

1 基于ZigBee的室内定位节点简述
基于ZigBee的定位网络是一个WSN网络(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)，为定位应用系统提供定位特征信息及节点状态报警信息，由网络协调器、参考节点和盲节点组成。定位算法需要至少3个参考节点对1个盲节点进行定位。定位网络结构图如图1所示。

定位网络中，ZigBee网络协调器承担着ZigBee网络的发起和管理功能。ZigBee网络协调器汇集定位网络内所有参考节点产生的定位信息，并将定位信息发送给应用系统。
参考节点固定布置在定位区域范围内的特定位置上，接收盲节点发送的特征信息数据信号，并提取出该信号的场强特征信息，即RSSI(Re ceived Signal Strength Indication，接收信号强度指示)值。参考节点将其自身的特征信息和盲节点的特征信息数据、RSSI值打包生成定位信息，通过ZigBee网络发送给ZigBee网络协调器。参考节点是网络中的路由节点。
盲节点佩戴或安装在被定位人员或物品上，周期性地通过ZigBee网络广播发送自身的特征信息数据。盲节点是网络中的终端节点。
参考节点与盲节点使用相同的硬件，通过下载参考节点或是盲节点的应用程序，实现参考节点或盲节点的功能。本文所述定位节点包括参考节点和肓节点。

2 基于ZigBee的室内定位节点硬件设计
基于ZigBee的室内定位节点硬件电路主要由CC2530主控电路、射频前端电路、电源模块、加速度传感器电路等部分组成。
2．1 CC2530主控电路设计
本文选择TI公司的CC2530为核心来设计节点。CC2530是一款低成本、低功耗、高集成度的ZigBee协议SoC解决方案，工作在2．4 GHz ISM频段。CC2530内部集成有射频收发器、增强型8051核MCU、丰富的片上存储器和外围接口资源，能够为ZigBee协议栈及应用软件提供有力的支持。CC2530功耗低，在以1 dBm功率发射时，电流消耗为29 mA；接收时，电流为24 mA。CC2530支持多种低功率工作模式(空闲模式和休眠模式等)，休眠模式切换到主动模式的超短时间特性使节能设计更方便，特别适合要求电池寿命长的应用。

节点以CC2530芯片为核心，配合软件优化，在实现节点功能的同时，能够有效节省功耗、减少体积和BOM成本。主控电路的原理图如图2所示。 2．2 射频前端电路设计
CC2530是无线SoC设计方案，只需采用较少的外围电路即可实现基本的信号收发功能。然而，要达到理想的性能，需要设计和优选射频电路参数，才能够实现稳定的无线信号传输、最大的通信距离和良好的电磁兼容性能。
CC2530的射频输出为差分信号，需要经过差分一单端转换电路，才能与常用的鞭状或贴片天线连接；另外CC2530射频输出端的差分阻抗为(69+j29)Ω，为实现信号的高效传输，需要进行阻抗变换，使射频收发系统的天线接口端的阻抗等于标准的50 Ω。以上两点功能是射频前端电路设计的主要任务与设计目标。
差分一单端转换电路基于TI公司提供的参考设计进行了参数仿真和优化，阻抗匹配网络根据定位系统需求及节点硬件设计特点重新设计，保证在阻抗匹配、收敛性及电磁兼容性能等方面符合系统要求。
射频前端电路手册图如图3所示。其中，Term2为50 Ω天线接口，Term1与Term3及Balun器件CMP1是模拟CC2530射频输出端的虚拟器件。

在ADS2011环境下对该设计进行S参数仿真及Z参数仿真，仿真结果略——编者注。
仿真结果显示，匹配网络正向传播系数为-0．685dB，即插入损耗小于0．076；回波损耗为-22．733 dB，即小于0．073；输入阻抗为69．181 Ω，输出阻抗为50．221 Ω，匹配网络较好地达到了设计目标。
2．3 电源模块设计
节点核心芯片CC2530的工作电压为2～3．6 V，其射频输出功率和接收灵敏度受到供电电压的影响。射频信号强度信息是定位的关键信息，因此，必须保证供电电压的稳定，才能保证定位信息的准确。同时，参考节电与盲节点根据应用场合不同，将采取普通碱性电池、充电电池、锂电池、直流电源等多种供电方式，输入电源电压范围较宽。最后，电源模块需要采用DC—DC转换的方式，以提高电源转换效率，延长电池使用时间。

TI公司的TPS63001为一款升降压转化器，输入电压范围为1．8～5．5 V，输出电压3．3 V，最大输出电流800mA，采用3 mm×3 mm微型封装，效率可高达96％。适用于普通碱性电池、充电电池、锂电池等多种供电模式，具有适应范围宽、效率高、体积小等优点，能够满足电源设计的需求。电源模块原理如图4所示。

3 基于ZigBee的室内定位节点软件设计
3．1 软件结构
节点的软件设计基于OSAL操作系统、用户应用任务(UserApp)和ZigBee设备对象任务(ZDO)一起在OSAL操作系统的调度下运行，其调度机制基于优先级。其中，用户应用任务优先级最低。节点软件架构如图5所示。