CC2431的無線定位引擎及其應(yīng)用改進(jìn)

　　引 言

　　CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，能滿足低功耗ZigBee／IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。CC2431定位引擎基于RS-SI(Received Signal Strength Indicator，接收信號強(qiáng)度指示)技術(shù)，根據(jù)接收信號強(qiáng)度與已知參考節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確計(jì)算出有關(guān)節(jié)點(diǎn)位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端。相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能降低了網(wǎng)絡(luò)流量與通信延遲，在典型應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)3～5 m定位精度和0.25 m的分辨率。本文在簡述基于RSSI定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹CC2431無線定位引擎的功能、特點(diǎn)及使用方法，并且針對CC2431無線定位引擎定位范圍小和只能進(jìn)行二維定位的不足之處給出了改進(jìn)方法。

　　1 RSSI定位技術(shù)

　　RSSI是指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號強(qiáng)度大小。在基于接收信號強(qiáng)度指示RSSI的定位中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號的強(qiáng)度計(jì)算出信號的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。該技術(shù)硬件要求較低、算法相對簡單，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性；但由于環(huán)境因素變化的原因，在實(shí)際應(yīng)用中往往還需要進(jìn)行改進(jìn)。

　　2 CC2431無線定位引擎

　　CC2431無線定位引擎基于RSSI技術(shù)，定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)知道自己的位置并可以將其位置通過發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他節(jié)點(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)從參考節(jié)點(diǎn)處接收數(shù)據(jù)包信號，獲得參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值并將其送人定位引擎，然后可以讀出由定位引擎計(jì)算得到的自身位置。由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送給盲節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)水平位置X和豎直位置Y，而RSSI值可由接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算獲得。

　　2.1 定位引擎

　　定位引擎的使用非常簡單，只要將所需參數(shù)寫入定位引擎，等待定位引擎計(jì)算完畢就可以直接讀出計(jì)算結(jié)果。所需參數(shù)如表1所列。

　　2.2 RSSI參數(shù)

　　當(dāng)CC2431接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后會(huì)自動(dòng)將RSSI值添加到該數(shù)據(jù)包中。RSSI值為數(shù)據(jù)包接收在開始的8個(gè)周期中的平均值，用1個(gè)字節(jié)表示。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包從CC2431的FIFO中讀出時(shí)，倒數(shù)第二個(gè)字節(jié)包含RSSI值，這個(gè)值在接收到實(shí)際數(shù)據(jù)包的8個(gè)符號后測量得到，也可在數(shù)據(jù)包接收的同時(shí)獲得。此時(shí)RSSI將反映當(dāng)時(shí)接收信號的強(qiáng)度，而不一定是接收到的數(shù)據(jù)的信號強(qiáng)度，從而增加了大量節(jié)點(diǎn)同時(shí)使用信道時(shí)RSSI值出錯(cuò)的可能性。

　　CC2431包含一個(gè)RSSI寄存器，此寄存器保留與上述相同的值，但它并不鎖定，因此寄存器值不能用于進(jìn)一步的計(jì)算。只有與接收到的數(shù)據(jù)相關(guān)的被鎖定的RSSI值才能認(rèn)為是接收數(shù)據(jù)時(shí)獲得的正確RSSI測量值。

　　RSSI的理論值可以由式(1)表示：

　　RSSI=-(10n·lgd+A) (1)

　　其中，射頻參數(shù)A和n用于描述網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境。在全向模式下，射頻參數(shù)A被定義為用dBm表示的距發(fā)射端1 m處接收到的信號強(qiáng)度絕對值。如信號強(qiáng)度為-40dBm，那么參數(shù)A被定為40。定位引擎的期望參數(shù)A為30.0～50.0，精度為0.5。參數(shù)A用無符號定點(diǎn)數(shù)值給出，最低位為小數(shù)位，而其余各位為整數(shù)位。A的一個(gè)典型值為40.0。

　　射頻參數(shù)n被定義為路徑損失指數(shù)，它指出了信號能量隨著到收發(fā)器距離的增加而衰減的速率。衰減與d-n成比例，這里d是發(fā)射器和接收器之間的距離。實(shí)際寫入定位引擎的參數(shù)n是一個(gè)通過查表得到的整數(shù)索引值n_index，如表2所列。

　　例如，通過測量得到n=2.98，查表得到最接近的有效值為3.00，相應(yīng)的索引值是13。因此，整數(shù)13作為參數(shù)n寫入定位引擎中。參數(shù)n以[0，31]之間的整數(shù)索引寫入定位引擎，索引用整數(shù)表示。如n=7寫入為000000111，n的典型值是13。

　　2.3 參考節(jié)點(diǎn)數(shù)量

　　一般來說參考節(jié)點(diǎn)越多越好，要得到一個(gè)可靠的定位坐標(biāo)至少需要3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。如果參考節(jié)點(diǎn)太少，節(jié)點(diǎn)間影響會(huì)很大。一個(gè)錯(cuò)誤的RSSI值能明顯改變所得的位置坐標(biāo)，錯(cuò)誤的RSSI值在此即為不適合理論值的RSSI值，可能由于多路信號或信號被墻壁阻擋等造成。另外，如果盲節(jié)點(diǎn)位于參考節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格外部，很可能結(jié)果與實(shí)際使用位置差別很大，因此不應(yīng)該跟蹤位于網(wǎng)格之外的目標(biāo)。

　　2.4 定位算法

　　首先，定位操作應(yīng)該使用“最優(yōu)”參考節(jié)點(diǎn)，即使用具有最高RSSI值的8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。其他節(jié)點(diǎn)都應(yīng)放棄。如果得不到8個(gè)節(jié)點(diǎn)，則應(yīng)該使用盡可能多的節(jié)點(diǎn)。

　　可用于軟件操作的算法很多，例如在圖1所示的區(qū)域中，在X、Y方向上每隔30 m放置一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，圖中白色節(jié)點(diǎn)為盲節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)。第1步，確定具有最高RSSI值的一個(gè)節(jié)點(diǎn)并計(jì)算一個(gè)補(bǔ)償值，使之“移動(dòng)”到64 m×64 m范圍的中心。由于已知來自此節(jié)點(diǎn)的RSSI值，所以到此節(jié)點(diǎn)的距離很容易得到。第2步，確定除“最強(qiáng)”節(jié)點(diǎn)之外的其他使用節(jié)點(diǎn)，即圖中黑色節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)用第1步中的補(bǔ)償值進(jìn)行修正。第3步，所有獲得值送人定位引擎最終讀出結(jié)果位置。最后一步，將補(bǔ)償值添加到計(jì)算位置中。完成這些計(jì)算之后，盲節(jié)點(diǎn)在全局網(wǎng)格中的位置就確定了。

　　2.5 軟件操作

　　在定位引擎運(yùn)行之前，必須使能定位引擎寄存器LO-CENG的第4位LOCENG.EN。當(dāng)要停止定位引擎運(yùn)行時(shí)，應(yīng)往LOCENG.EN寫入0關(guān)斷引擎的時(shí)鐘信號，從而降低CC2431的功耗。對定位引擎的操作，主要就是對與定位引擎有關(guān)的寄存器的操作。

　　定位引擎運(yùn)行時(shí)需要輸入3～8個(gè)參考坐標(biāo)。參考坐標(biāo)是以m為單位的，它表示各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的位置，其數(shù)值位于0～63.75，最高精度為0.25 m，以最低2位為小數(shù)部分，剩余6位為整數(shù)部分。參考坐標(biāo)存放于RF寄存器REFCOORD中。在寫入REFCOORD之前，寄存器LOCENG的第1位LOCENG.REFLD必須寫入1，用于指示一組參考坐標(biāo)將要被寫入。一旦坐標(biāo)寫入過程開始(LO-CENG.REFLD=1)，8對坐標(biāo)必須一次性寫入。當(dāng)定位引擎使用少于8個(gè)參考坐標(biāo)時(shí)，要將未用的參考坐標(biāo)寫入0.0。

　　RSSI值在[-40 dBm，-95 dBm]之間，精度為0.5dBm，寫入值中應(yīng)去掉負(fù)號。如RSSI的值為-50.35 dB，寫入到定位引擎為50.5。注意，未用的參考坐標(biāo)必須用0.0作為RSSI值寫入。如果僅有部分參數(shù)寫入，定位引擎將不能正確工作。

　　所有的測量參數(shù)應(yīng)寫入RF寄存器MEASPARM中。在寫入MEASPARM之前，寄存器LOCENG的第2位LOCENG.PARLD必須寫入1，表示一組測量參數(shù)將被寫入。一旦參數(shù)寫入開始(LOCENG.PARLD=1)，所有10個(gè)參數(shù)必須一次性全部寫入。測量參數(shù)必須按照[A，n，rssi0，rssi1，…，rssi7]順序?qū)懭隡EASIARM寄存器，任何未使用的位必須寫0。10個(gè)參數(shù)全部寫完之后，LOCENG.PARLD必須寫入0。

　　參數(shù)坐標(biāo)和測量參數(shù)寫入之后，通過把寄存器LOCENG第0位LOCENG.RUN寫入1啟動(dòng)定位估計(jì)計(jì)算。通常，LOCENG.RUN被置1后的1 200個(gè)系統(tǒng)周期之后，LOCENG的第3位LOCENG.DONE被置1。此時(shí)，估計(jì)坐標(biāo)可從LOCX和LOCY寄存器讀出。定位引擎不產(chǎn)生任何中斷請求。在新的結(jié)果被計(jì)算出來或下一次重新啟動(dòng)之前，估計(jì)坐標(biāo)值在LOCX和LOCY中保持有效。

　　下面給出一個(gè)簡單的定位引擎操作函數(shù)：

　　定位引擎操作流程如圖２所示。

　　3 存在問題及改進(jìn)

　　CC2431的無線定位引擎在應(yīng)用中存在兩個(gè)問題。首先，定位引擎可以處理最高達(dá)64 m的X、Y值，對實(shí)際應(yīng)用來說這個(gè)區(qū)域太小，因此擴(kuò)展區(qū)域非常必要。這可以通過簡單的軟件預(yù)處理算法得到，例如每個(gè)節(jié)點(diǎn)用2個(gè)字節(jié)的X、Y代表。因?yàn)榫葹?.25 m，從而最大范圍為16 384 m(214=16 384)。其次，定位引擎得到的只是二維坐標(biāo)，如何區(qū)分不同的水平面，就只能通過軟件方法處理。例如，可以首先確定最近的參考節(jié)點(diǎn)并讀出此節(jié)點(diǎn)的水平值。這個(gè)水平值被假定為盲節(jié)點(diǎn)所在的層，之后盲節(jié)點(diǎn)要保證只有同層節(jié)點(diǎn)被輸入到定位引擎當(dāng)中。水平層用一個(gè)字節(jié)Z來表示，則可以區(qū)分256個(gè)不同的層。

　　結(jié) 語

　　CC2431是一款針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee／IEEE802.15.4的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，其具備的硬件定位引擎具有硬件設(shè)備要求低、定位精度高的特點(diǎn)，很好地滿足了需求。本文在詳細(xì)討論了定位引擎操作原理、使用方法的基礎(chǔ)上，給出了可行的應(yīng)用擴(kuò)展方法?？梢灶A(yù)見，CC2431的無線定位引擎將在無線網(wǎng)絡(luò)定位方面具有更加優(yōu)異的表現(xiàn)。