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基于CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)

作者: 時間:2009-04-24 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘 要:在環(huán)境下對移動目標(biāo)可使用的技術(shù)主要有超聲波技術(shù)、射頻識別技術(shù)以及接收信號強度(RSSI)的技術(shù)。經(jīng)過比較,接收信號強度(RSSI)的定位技術(shù)更適合于復(fù)雜的環(huán)境。介紹RSSI定位機制的片內(nèi)集成定位引擎在定位中的應(yīng)用,并在室內(nèi)環(huán)境下進行了實測,其定位效果良好。
關(guān)鍵詞:;信號接收強度;定位引擎;室內(nèi)定位

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/158084.htm


隨著無線通信和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,基于位置的服務(wù)(LBS)顯得越來越重要。在室外環(huán)境下,全球定位(GPS)已經(jīng)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(wèi)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(nèi)環(huán)境下,GPS由于衛(wèi)星信號被阻隔而無法完成定位。與此同時,室內(nèi)定位服務(wù)的需求日益增加,室內(nèi)定位技術(shù)的研究成為各大高校、研究機構(gòu)和企業(yè)的一個研究熱點。


1 室內(nèi)定位技術(shù)
目前已有的室內(nèi)定位技術(shù)主要有:超聲波定位技術(shù)、射頻識別技術(shù)(RFID)以及基于接收信號強度(RS―SI)的定位技術(shù)。
超聲波定位技術(shù)大都采用反射式測距法,即發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的回波,根據(jù)回波與發(fā)射波的時間差計算出待測距離。超聲波定位系統(tǒng)由若干應(yīng)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(yīng)答器發(fā)射同頻率的無線信號,應(yīng)答器在收到無線信號后向主測距器發(fā)射超聲波信號,從而得到主測距器與各個應(yīng)答器之間的距離,進而確定被測物體的坐標(biāo)。Cricket Loca―tion Support System和Active Bat Location System是目前成功使用的兩個系統(tǒng)。但是這類系統(tǒng)需要大量的底層硬件設(shè)施投資,成本太高,無法大面積推廣。
射頻識別(RFID)系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀卡器以及在標(biāo)簽與讀卡器之間傳遞射頻信號的微型天線3部分組成。當(dāng)標(biāo)簽置于讀卡器發(fā)出固定頻率的電磁場附近獲得了能量并產(chǎn)生上電復(fù)位后,原本處于“休眠狀態(tài)”的標(biāo)簽被激活,并將含有自身種類識別碼標(biāo)志、制造商標(biāo)志等信息代碼調(diào)制到載波上經(jīng)卡內(nèi)天線發(fā)射出去,供讀卡器處理識別。該定位技術(shù)最典型的例子是LAND―MARC系統(tǒng),該系統(tǒng)用活性參考標(biāo)簽Tag替代離線數(shù)據(jù)采集,其動態(tài)參考信息能夠?qū)崟r捕捉環(huán)境變化,提高定位精度和可信度?;钚詤⒖紭?biāo)簽Tag的應(yīng)用免去了每個測試點數(shù)百次的人工數(shù)據(jù)采集,且能更好地適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境的波動,提高定位精度。該項技術(shù)的定位精度在很大程度上與設(shè)備的數(shù)量和分布有關(guān),并要求有與之相配套的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。
基于接收信號強度(RSSI)定位技術(shù),并根據(jù)接收節(jié)點收到的信號強度,計算出信號的傳播損耗;利用理論與經(jīng)驗?zāi)P?,將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離,再計算出節(jié)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(shè)備來進行精確的時間同步和角度測量,降低了成本,系統(tǒng)的可擴展性良好。因此該項技術(shù)已成為室內(nèi)定位技術(shù)的研究熱點。


2 定位系統(tǒng)
CC2431是TI公司推出的針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBeeTM/IEEE 802.15.4應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。其內(nèi)部集成了CC2420射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強型8051MCU內(nèi)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(zhuǎn)換時間較短,因而能夠滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。CC2431的主要性能特點如下:
(1)定位引擎能精確計算網(wǎng)絡(luò)中節(jié)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(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz RF無線收發(fā)機(具有工業(yè)級領(lǐng)先的CC2420射頻內(nèi)核);
(4)優(yōu)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(shù)據(jù)保持功能;
(7)強大的DMA功能;
(8)極少的外部元器件;
(9)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(fā)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(tǒng);
(12)待機模式下小于O.6μA電流損耗,外部中斷能喚醒系統(tǒng);
(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(tǒng)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(shù)字化的RSSI/LQI支持;
(17)具有電池監(jiān)測和溫度傳感器;
(18)多達8路輸入的8~14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換;
(19)集成AES一128安全協(xié)處理器;
(20)帶有兩個功能強大的支持多組協(xié)議的USART;
(21)支持硬件調(diào)試;
(22)集成看門狗定時器;
(23)具有1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計時器,1個常規(guī)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(qū)動能力;
(25)強大靈活的開發(fā)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(jù)接收信號強度及已知參考節(jié)點位置,準(zhǔn)確計算出待定位節(jié)點的位置,然后將位置信息發(fā)送給接收端,與集中型定位系統(tǒng)相比,進行分布節(jié)點定位,以減少網(wǎng)絡(luò)通信量和網(wǎng)絡(luò)通信延遲。CC2431的定位引擎操作流程如圖1所示。


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