ZigBee室内定位系统节点设计方案

[摘 要] 借助ZigBee技术成本低、延迟短、网络结构灵活的特点，根据RSSI算法提出室内定位系统节点设计方案。设计方案中包括对所有数据进行汇总、分析、存储和发送的网关节点，位置固定坐标信息明确的参考节点，以及未知坐标信息的定位节点。本文重点介绍了三类节点的功能，以及实现定位功能时的工作流程。

[关键词] ZigBee；定位技术；RSSI算法

【中图分类号】 TN929 【文献标识码】 A 【文章编号】 1007-4244（2013）12-335-2

一、引言

室外定位技术随着地理信息系统，GIS技术的发展日趋成熟，随之室内定位技术也日益受到关注。ZigBee技术作为短距离无线通讯的一种方式，以其节点价格低廉，延迟短，网络结构灵活，安全受到室内无线数据传输的推崇。本文根据ZigBee技术的特点，提出室内定位系统节点设计方案，设计的节点种类为三类：网关节点，定位节点以及参考节点。

二、ZigBee技术特点介绍

ZigBee是一种高可靠性的无线数据传输网络，每个ZigBee模块都相当于一个移动网络的小型基站，其无线网络传输平台可容纳将近65000个传输节点。每一个ZigBee网络模块之间可以进行相互通信，每个网络节点间的传输距离标准的为75m。在整个数据传送网络中节点不仅可以采集数据，在数据的传输过程中，还可以充当路由设备，即对相邻节点的数据进行转发。ZigBee技术具有以下特点：

（一）低功耗：ZigBee芯片一般都有多种电源管理模式，这些管理模式可以有效的对节点的工作模式和休眠模式进行配置，从而使系统在不工作的时候可以将无线设备关闭。加之ZigBee芯片的传输速率很低，工作状态的发射功率仅为1mW，因此极大的降低系统功耗，节省了电池的能量。

（二）成本低：随着工业技术的发展，芯片的价格现已降至十几元人民币，低廉的价格也使得zigbee技术在市场中广受欢迎。

（三）时延短：节点收发数据产生的延迟时间，和节点状态由休眠变为激活的时间都非常的短。通常收发数据过程中所需延迟时间约为30ms，节点状态改变时的延迟时间约为15ms。

（四）网络结构灵活、容量大：Zigbee既支持单跳的数据传输方式，也支持由路由实现的多跳的数据传输方式。同时Zigbee支持星型、混合型和对等拓扑结构。网络中可同时容纳256个节点进行数据的通信。

（五）安全：由于无线网络的通信信道为共享形式，因此 ZigBee为避免出现的信道争抢冲突，采用CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance载波监听多路访问冲突避免方法）；为保证数据不会丢失，ZigBee提供了基于循环冗余校验法（CRC）用于检测数据包的完整性，支持鉴权和认证。同时为了提高灵活性并且能够在MCU上运行，ZigBee提供三种安全模式，其中最高级别的安全模式采用高级加密标准AES的对称密码和公开密钥为数据的安全提供可靠保证。

三、ZigBee技术中RSSI定位测距算法实现原理

基于RSSI的测距技术是利用无线电信号随距离增大而有规律地衰减的原理测量节点间的距离，接收信号强度RSSI与传输距离d的关系如下所示：

RSSI = -（10nlgd+A）

式中：n表示信号传播常数，也叫做传播系数；

d表示与发送者的距离；

A表示距发送者1m时的信号强度。

测距精度的高度受到n与A实际取值大小的影响较大，A是一个经验参数，可以通过测量距离发送者1m外的RSSI值得到。n是用来描述信号强度随距离增加而递减的参量，n的大小以来具体的环境。为了得到最优的n值，可以先放置好所有的参考节点，然后尝试用不同的n-index值找到最适合这个具体环境的n值。

一般来说，对一个定位节点进行定位至少需要三个已知坐标节点进行定位，已知节点越多定位越准确。

四、网关节点的软件设计

ZigBee网关是无线定位系统的中心协调器，它可以通过RS232串口延长线与监控中心的PC机相连接，网关通过内置的ZigBee模块与无线网络中的各个节点实现数据通信。

（一）网关节点的功能。网关节点可以对所有节点所上传的数据进行汇总、分析、存储和发送。具体功能有：一、建立ZigBee网络；二、接收由控制中心提供的各参考节点和移动节点的配置数据；三、接受各节点反馈的有效数据经总线模块传送至控制中心软件。

（二）网关节点的工作流程。参考节点和定位节点与监控终端PC机之间所有相关数据都经由它进行传送。工作流程为：由控制计算机发送命令，网关节点接收命令，首先分别命令的可用性。倘若可用，则根据命令判断控制计算机所需信息的节点，并向该节点发送命令，请求将相应数据传至网关，之后再将接收到的信息按既定格式发送给控制计算机，计算机通过相应的传感器网络监控软件将节点状态显示出来。

五、参考节点程序设计

参考节点是无线系统中固定的、明确位置坐标信息的节点。参考节点可以由CC2430或者CC2431芯片来实现，本系统选择CC2431芯片作为数据处理模块。

（一）参考节点的主要功能。参考节点具备三大功能：一、 创建一个无线网络，二、实现有线网与无线网之间数据的传输，三、对于无线网络中的可移动节点实现定位。

（二）参考节点组网流程。参考节点创建网络，首先要初始化协议栈，根据监控主机的命令，将监控主机分配的网络ID号，坐标（X，Y）值写入节点。参考节点发出网络建立的广播信号之后，节点进入无线监听状态，等待接收入网应答。对于新入网的节点发送网络ID号，以及测试信息，获取信号强度的RSSI值。

（三）参考节点与其它节点通信。参考节点与其他节点的通信主要可以分为三种，一 、参考节点接受其他节点发送的监测数据；二、参考节点可以对网络中的移动节点进行定位操作；三、查找网络中的节点，将监控主机的控制命令进行转发。当参考节点周期性的发出定位指令，要求对网络中的移动节点进行定位时。首先应该唤醒定位节点的定位引擎，当定位节点确认后，将自身的位置坐标（X，Y）值和RSSI值一同发送给定位节点。参考节点不参与节点的定位计算，将接收到的位置坐标信息上传给监控主机。

六、定位节点程序设计

定位节点是本系统中的移动节点，借助参考节点已知的坐标信息和相关信息来计算出自身坐标信息的节点。定位节点通过内置的ZigBee模块，能够与离自己近的参考节点通信，根据参考节点传送的所有信息和相应的定位算法来计算出自己的坐标信息。本系统使用以带有定位引擎的CC2431芯片进行开发设计的模块作为定位节点。

（一）定位节点的主要功能。定位节点是网络中的动态节点。主要有以下三大功能：一、数据传输功能。通过周期性的启动传感器，对学生考勤进行检测，然后读取监测数据，并将数据发送给参考节点；二、路由功能，能够转发其他节点的数据包。三、实现自身定位功能，应答参考节点的定位命令并运用定位算法来计算自身的坐标位置。

（二）定位节点与参考节点建立通信。定位节点将采集到的数据向参考节点进行发送，首先要向参考节点发送连接请求，确认参考节点是否空闲，若空闲则发送数据和数据结束标志，由参考节点判断数据是否传输完成。若完成则释放链接，若未完成则在连接释放后继续向参考节点发送连接请求。

（三）定位节点实现定位。定位节点通过接受定位区域内所有参考节点的RSSI值后，选择定位子区域内的参考节点，并向其发出计算（A，n）的请求，根据前文提到的定位算法进行定位。

定位节点可以与传感模块通过周期性问询实现检测数据采集功能。定位节点首先发出问询信号，唤醒处于休眠状态的传感器，进入工作状态。发送启动信号，若启动不成功，则继续发送启动信号。若成功则定位节点发出测量命令，传感器开始进行数据测量。测量结束后又传输至定位节点。

（四）整个定位系统的定位过程。整个定位系统由控制管理中心、参考节点及定位节点构成。一般来说，定位节点携带者包含CC2431定位引擎芯片，定位引擎通过无线测距范围内响应的参考节点坐标以及发送给这些参考节点信息的RSSI值完成定位运算。定位节点发出一定时序的RSSI Blast 信息广播，当等待定位节点已配置完成的规定的时间间隔后，定位节点向参考节点发出XY――RSSI位置请求广播信息，每一个接受到RSSI Blast信息的参考节点将接受到信息的RSSI值计算，当接受到XY――RSSI请求时，参考节点将向定位节点发回其位置信息以及RSSI值。

七、结束语

本文根据RSSI算法设计三类节点用于室内定位系统。以改善传统的考勤方式，实现有效科学的考勤管理模式为目的，期望能够为人员管理系统化、科学化、网络化有所帮助。

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作者简介：孙志敏（1981-），女，汉族，甘肃景泰人，硕士，兰州资源环境职业技术学院讲师，研究方向：通信电子工程。