北斗導(dǎo)航芯片UM220+ZigBee的無線終端設(shè)計(jì)

引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中國正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，包括向全球免費(fèi)提供定位、測速和授時(shí)服務(wù)。目前，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)正按計(jì)劃穩(wěn)步推進(jìn)，目前已成功發(fā)射了16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，服務(wù)范圍覆蓋了亞太地區(qū)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。在無線傳感網(wǎng)技術(shù)中，最為符合低功耗、低成本、高可靠性要求的當(dāng)屬ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種工作在全球、美國和歐洲3個(gè)頻段上的無線通信技術(shù)，基于無線通信協(xié)議。它具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度、自動組網(wǎng)的特點(diǎn)，主要適合于短距離無線通信、組網(wǎng)、自動控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，并可以嵌入至各種設(shè)備中。

這兩種熱門技術(shù)特點(diǎn)鮮明，如果將它們結(jié)合，即把定位導(dǎo)航技術(shù)與短距離組網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)更廣泛和更復(fù)雜的應(yīng)用，滿足對于不同規(guī)模和要求的檢測、定位、導(dǎo)航等各項(xiàng)需求，方便數(shù)據(jù)傳輸，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品的空白。

1 創(chuàng)新功能

1.1 精確定位

ZigBee節(jié)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于野外環(huán)境勘測、智能交通監(jiān)控等領(lǐng)域，單純的ZigBee節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)是一維數(shù)據(jù)，孤立的數(shù)據(jù)不利于分析與決策。如果將采集地的位置信息也一起獲取，就可以把采集到的環(huán)境信息與位置信息相結(jié)合，在匯總、分析時(shí)繪制成一個(gè)二維的數(shù)據(jù)地圖，更將直觀地了解信息的分布狀況;而如果再加上精確的時(shí)間，就組成了三維的數(shù)據(jù)體，這樣的數(shù)據(jù)更加綜合、全面。

1.2 間接定位

衛(wèi)星定位通常要求在有天空視野的室外，因而在室內(nèi)就定位困難。利用ZigBee的間接定位，當(dāng)周圍已經(jīng)存在了包含定位設(shè)備的ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就可以接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)間接定位。相當(dāng)于在這個(gè)區(qū)域內(nèi)任意可接入網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)提供了實(shí)時(shí)間接定位的服務(wù)，任何設(shè)備都可以透過ZigBee網(wǎng)絡(luò)獲取自己當(dāng)前的位置信息，這樣不僅降低了定位服務(wù)的成本，也擴(kuò)大了定位的應(yīng)用范圍。

1.3 網(wǎng)絡(luò)授時(shí)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)雖然具備低成本、低功耗、高可靠性的優(yōu)勢，但是考慮到網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和較低的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面不盡如人意。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)面對的是某種對實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用時(shí)，勢必會因?yàn)檩^大的時(shí)延，影響數(shù)據(jù)的精確性。如果采用從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取的精確時(shí)間，然后對全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)校時(shí)，那么節(jié)點(diǎn)的同步性就得到了提高，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

1.4 數(shù)據(jù)通信

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖然可以提供精確的時(shí)間和位置信息，但是卻沒有信息的傳遞能力，ZigBee網(wǎng)絡(luò)就為這種信息組織提供了一種簡便的方式。通過把北斗定位的數(shù)據(jù)架設(shè)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)之中，就可以讓位置信息傳遞起來。

2 北斗+ZigBoe終端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系如圖1所示，主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和北斗導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)組成。傳感網(wǎng)子網(wǎng)內(nèi)一般由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的管理，同時(shí)與北斗定位導(dǎo)航模塊通信。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

在ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上，選用Freescale公司針對ZigBee技術(shù)推出的MC13213芯片。該芯片是完整的單芯片解決方案，其內(nèi)部集成了HCS 08 MCU和遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的第二代無線射頻收發(fā)器，也稱為Modem。MC13213能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。其特點(diǎn)是速度快，片內(nèi)資源豐富。其硬件框圖如圖2所示。

北斗定位導(dǎo)航模塊以芯星通公司的UM220芯片為核心設(shè)計(jì)。UM220是針對車輛監(jiān)控、氣象探測和電信電力授時(shí)等應(yīng)用而推出的北斗/GPS雙系統(tǒng)模塊。單芯片支持北斗BD2/GPS功能，無需外接CPU即可直接輸出NMEA數(shù)據(jù)，支持UART、SPI、1PPS、I2C等多種接口。引腳連接如圖3所示，本設(shè)計(jì)通過TXD3、RXD3分別與MC13213的PTE1(TXD1)、PTE0(RXD1)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。ZigBee設(shè)備包括IEEE 802.15.4(該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信)的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層——網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。

由于受無線傳輸功耗的限制，傳輸有效距離在100 m以內(nèi)，因此對于在區(qū)域范圍內(nèi)的覆蓋就需要通過內(nèi)置的ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)自動組網(wǎng)和路徑計(jì)算功能。在終端設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某休d媒介是ZigBee網(wǎng)絡(luò)，不管是精確定位的坐標(biāo)信息，還是間接定位的偵測信息，亦或是時(shí)間同步的數(shù)據(jù)，都依賴于ZigBee所提供的數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行傳輸。

精確定位的功能依賴于北斗導(dǎo)航定位所獲得的精確坐標(biāo)。UM220模塊提供北斗的定位信息。UM220輸出數(shù)據(jù)采用ASCII碼，按照NMEA-0183格式進(jìn)行異步串行通信，因此通過將其通過串口與MC13213相連，設(shè)定每秒輸出一次定位信息，通過MC13213內(nèi)置的單片機(jī)處理定位信息。UM 220輸出語句有$BDGGA、$BDGSA、$BDGSV、$BDRMC等。其中$BDGGA定位數(shù)據(jù)語句是最為常用的語句，因此我們選用它作為定位信息的輸出語句。

$BDGGA語句包括17個(gè)字段：語句標(biāo)識頭，世界時(shí)間，緯度，緯度半球，經(jīng)度，經(jīng)度半球，定位質(zhì)量指示，使用衛(wèi)星數(shù)量，水平精確度，海拔高度，高度單位，大地水準(zhǔn)面高度，高度單位，差分GPS數(shù)據(jù)期限，差分參考基站標(biāo)號，校驗(yàn)和結(jié)束標(biāo)記(用回車符和換行符)，分別用14個(gè)逗號進(jìn)行分隔。由此便獲得了經(jīng)、緯度和海拔高度的精確信息。這些信息將存儲在MC13213的內(nèi)存中，不僅實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的精確定位，作為自己的位置信息，也為其他節(jié)點(diǎn)的間接定位提供參考信息。

間接定位常用的算法有兩種：基于距離的定位算法、與距離無關(guān)的定位算法。距離無關(guān)的定位算法的優(yōu)點(diǎn)是，對節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)要求較低;缺點(diǎn)是定位精度不高，難以滿足室內(nèi)定位的精度要求?；诰嚯x的定位則是通過測量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度信息，再使用一定的計(jì)算方法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置。常用的測距技術(shù)有RSSI、TOA、TDOA和AOA等。由于ZigBee無線通信模塊可以直接提供RSSI值，因此本設(shè)計(jì)使用RSSI信息來實(shí)現(xiàn)定位功能。

利用RSSI測量距離，需要建立距離與RSSI的模型。由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趯?shí)際定位前，需要先模擬測試環(huán)境，建立該環(huán)境中各個(gè)距離上的位置和信號強(qiáng)度關(guān)系的離線數(shù)據(jù)庫，操作起來較為繁瑣，數(shù)據(jù)庫也不適合單片機(jī)的應(yīng)用，因此這里采用理論模型，用無線電傳播路徑損耗模型進(jìn)行計(jì)算。

自由空間無線電傳播路徑損耗模型公式如下：

Loss=32.44+10klog10d+10klog10f (1)

式中，d為接收點(diǎn)距信源的距離，單位為km;f為頻率，單位為MHz;k為路徑衰減因子。

實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，由于存在多徑、繞射、障礙物等各種影響岡素，因此還要對模型進(jìn)行改進(jìn)。這里采用一種對數(shù)一常態(tài)分布模型，其計(jì)算公式為：

式中，Xσ是平均值為0的高斯分布隨機(jī)變數(shù)，取其標(biāo)準(zhǔn)差范圍為4～10;k的取值范圍為2～5。取d=1，代入式(1)可得Loss，即PL(d0)的值。由此得到未知節(jié)點(diǎn)接收錨節(jié)點(diǎn)信號時(shí)的信號強(qiáng)度公式如下：

RSSI=發(fā)射功率+天線增益一路徑損耗(PL(d))

假設(shè)移動節(jié)點(diǎn)0接收到n(n≥3)個(gè)固定節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號，從接收到的n個(gè)信號中選取接收信號最強(qiáng)的3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A、B、C。利用RSSI測距方法，測量到的距離分別為dA、dB、dC，此時(shí)就可以根據(jù)dA、dB、dC采用圖4所示的三邊測量法確定位置。如果不相交于一點(diǎn)，則可以根據(jù)質(zhì)心法來實(shí)現(xiàn)。

理論上，雖然獲取3個(gè)已定位節(jié)點(diǎn)的信息就可以確定一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的位置，但是實(shí)際情況會因?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)偏差。例如，當(dāng)兩個(gè)射頻之間出現(xiàn)意外遮擋物時(shí)，接收信號會降低30 dBm。為了修正異常，提高定位結(jié)果的精確性，間接定位需要盡可能多的已定位節(jié)點(diǎn)的RSSI值，進(jìn)行相關(guān)的定位計(jì)算，那么當(dāng)采用大量的節(jié)點(diǎn)后，RSSI的值將趨于穩(wěn)定，這時(shí)就可以得出更加精確的定位結(jié)果。

ZigBee全網(wǎng)的時(shí)間同步使用FTSP算法實(shí)現(xiàn)。它通過發(fā)送一條報(bào)文并在發(fā)送和接收兩端分別打下時(shí)間戳來實(shí)現(xiàn)一對一或者一對多的時(shí)間同步。FTSP算法提供多跳的時(shí)間同步，由網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)全局時(shí)鐘，其他的所有節(jié)點(diǎn)都同步到根節(jié)點(diǎn)，由此將全網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。

FTSP算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

①發(fā)射同步(sync)字節(jié)，計(jì)算時(shí)間戳t，計(jì)算方法為當(dāng)前的時(shí)間減去消息數(shù)據(jù)部分的發(fā)射時(shí)間，消息數(shù)據(jù)部分的發(fā)射時(shí)間，可以通過數(shù)據(jù)長度和發(fā)射速率得出。發(fā)射時(shí)間戳t。

②接收數(shù)據(jù)包，記錄sync字節(jié)最后到達(dá)的時(shí)間tr，計(jì)算位偏移(bit offset)。在收到完整消息后，計(jì)算位偏移產(chǎn)生的時(shí)間延遲tb，計(jì)算方法為計(jì)算位偏移和接收速率。

③接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏移量off-set，然后調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步。

3 性能測試

3.1 定位誤差測試

間接定位的實(shí)際測試中，共部署了23個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，其中使用北斗直接定位的有11個(gè)，沒有提供北斗定位而使用ZigBee定位的有12個(gè)。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，節(jié)點(diǎn)間設(shè)置了10～20 m不等的距離，然后進(jìn)行了10次間接定位的實(shí)驗(yàn)。通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析與實(shí)際測量值的誤差，結(jié)果如圖5所示。

綜合計(jì)算，10次實(shí)驗(yàn)的平均定位誤差為1.7 m?？紤]到平均14 m的節(jié)點(diǎn)間距離，定位誤差較小，符合應(yīng)用要求。

3.2 時(shí)間同步誤差測試

在時(shí)間同步的仿真中，依然采用間接定位測試中的節(jié)點(diǎn)。23個(gè)節(jié)點(diǎn)位置隨機(jī)分布，時(shí)間同步周期為5 s，在原有ZigBee協(xié)議中增加了部分模塊的功能，包括MAC層的時(shí)間戳。在實(shí)驗(yàn)中，分別記錄了FTSP在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間單跳和多跳的平均同步誤差，測試次數(shù)為10次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如

圖6所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)單跳FTSP平均誤差為2.12μs;但是到7跳的時(shí)候，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均誤差，F(xiàn)TSP為11.97 μs，結(jié)果表明，F(xiàn)TSP算法在多跳網(wǎng)絡(luò)中的同步誤差精度較高，曲線平滑，符合要求，可以達(dá)到提升ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步準(zhǔn)確性的目的。

結(jié)語

利用Freescale的ZigBee通信模塊MC13213與和芯星通UM220定位導(dǎo)航芯片組合搭建的硬件和軟件平臺，把北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位信息和授時(shí)功能與ZigBee系統(tǒng)相結(jié)合;利用精確的定位和授時(shí)數(shù)據(jù)改進(jìn)ZigBee協(xié)議棧的性能，增強(qiáng)其節(jié)點(diǎn)的功能，實(shí)現(xiàn)了精確定位、間接定位和全網(wǎng)時(shí)間同步的改進(jìn)。通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了單一北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)缺乏流動性和數(shù)據(jù)形態(tài)孤立的不足。經(jīng)測試，設(shè)計(jì)終端性能穩(wěn)定，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。