短距離無線通訊：Zigbee典型實(shí)例詳解（一） - 全文

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　　一、ZigBee現(xiàn)狀及前景分析

　　ZigBee從2002年ZigBee Alliance成立到2006年聯(lián)盟推出比較成熟的ZigBee 2006標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，至今已走過了多個(gè)春秋，當(dāng)Zigbee幾年前剛出現(xiàn)時(shí)，它的支持者曾設(shè)想這種基于IEEE 802.15.4規(guī)范的無線技術(shù)擁有潛在的巨大市場。在低吞吐量、短距離通信應(yīng)用中，成本是第一王牌，而類似藍(lán)牙、802.11x和802.15.3等規(guī)范的性能過于強(qiáng)大。但對于一些Zigbee支持者來說，當(dāng)初的設(shè)想并沒有成為現(xiàn)實(shí)。

　　任何一項(xiàng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)都離不開上游芯片廠商的支持和推動(dòng)，ZigBee作為一項(xiàng)低功耗;低速率無線短距離傳輸應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，自然也離不開芯片廠商的支持。從整個(gè)ZigBee產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟來看，主要的上游芯片供應(yīng)商有五家，分別為Jennic;Ti（Chipcon）;Frescale;Ember;Ateml。“芯片”實(shí)際上只是一個(gè)符合物理層標(biāo)準(zhǔn)的芯片，它只負(fù)責(zé)調(diào)制解調(diào)無線通訊信號(hào)，所以必須結(jié)合單片機(jī)才能完成對數(shù)據(jù)的接收發(fā)送和協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步減少OEM廠商的成本，部分上游芯片廠商推出了在單顆芯片上同時(shí)集成了物理層的收發(fā)和單片機(jī)功能的單Soc解決方案，單Soc把射頻部分和單片機(jī)部分集成在了一起，不需要額外的一個(gè)單片機(jī)，它的好處是節(jié)約成本，簡化設(shè)計(jì)電路。而且基本上每家芯片公司都免費(fèi)提供了基于自家芯片的ZigBee協(xié)議棧，大大地加速了ZigBee的應(yīng)用和普及。

　　隨著ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善和物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境的帶動(dòng)，整個(gè)ZigBee產(chǎn)業(yè)可以說是朝著越來越繁盛的趨勢發(fā)展，在5大上游芯片廠商和ZigBee聯(lián)盟的不斷努力推動(dòng)下，基于ZigBee應(yīng)用層出不窮，并和我們的實(shí)際生活接軌，讓人們的生活更加智能美好了！

　　ZigBee技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)階段以商業(yè)大樓自動(dòng)化，家庭自動(dòng)化控制（新建安裝）與儀表控制為重點(diǎn)。商業(yè)大樓可以利用ZigBee完成自動(dòng)控制，管理員可以有效地管理空調(diào)，燈光，火災(zāi)感應(yīng)系統(tǒng)等各項(xiàng)開關(guān)控制系統(tǒng)，可以達(dá)到減少能源費(fèi)用，降低管理人力等節(jié)約目的。對消費(fèi)者來說，若家中具有ZigBee系統(tǒng)，可方便的監(jiān)控家中的整體運(yùn)作，有效掌握電力，自來水，瓦斯的使用狀況之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安裝無線傳感器來監(jiān)控各種不同情況，一旦偵查到異狀即可自動(dòng)發(fā)出警告。ZigBee在儀表控制市場隨著國際儀表巨頭中國華立儀表集團(tuán);韓國NURI Telecom等紛紛開始引進(jìn)ZigBee技術(shù)之儀表控制系統(tǒng)之后，這個(gè)市場開始受到重視。ZigBee儀表控制系統(tǒng)相當(dāng)適合人工高昂，幅員遼闊，或是抄表員素質(zhì)不良，抄表準(zhǔn)確度不高，又或抄表員不易進(jìn)入水，電，瓦斯儀表所在地的地方。具有這樣背景的地方促使ZigBee儀表控制市場具有一定的需求。

　　雖然ZigBee應(yīng)用越來越多，芯片出貨量也連年遞增，但總體來說，ZigBee市場仍然處于起步探索階段，還沒有真正上量起飛，主要表現(xiàn)在在于可應(yīng)用的終端商用產(chǎn)品還多處于研發(fā)階段，真正上市的不多，具有典型應(yīng)用的方向和領(lǐng)域便少，點(diǎn)對點(diǎn)的應(yīng)用較多，體現(xiàn)ZigBee優(yōu)勢的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用少，缺乏體現(xiàn)ZigBee大型組網(wǎng)應(yīng)用。

　　雖然ZigBee在艱難中前進(jìn)，但未來整個(gè)ZigBee產(chǎn)品還是值得我們期待，從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)層面上來看，未來ZigBee將緊密迎合物聯(lián)網(wǎng)大概念方向趨勢的發(fā)展，努力扮演好傳輸層界面上的角色，在ZigBee聯(lián)盟的推動(dòng)下，ZigBee技術(shù)將朝著開發(fā)SoC（片上系統(tǒng)），更多規(guī)范，于IPV6結(jié)合，更廉價(jià)，更省電，更快速等方向發(fā)展。從應(yīng)用領(lǐng)域和方向方面來看，ZigBee完全有機(jī)會(huì)開拓在目前大然的智能手機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用，目前智能手機(jī)領(lǐng)域里短距離數(shù)據(jù)傳輸主要是通過藍(lán)牙方式來實(shí)現(xiàn)，但相比于藍(lán)牙，ZigBee的低功耗更具有優(yōu)勢，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6~24個(gè)月，甚至更長，相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周，WiFi只能工作數(shù)小時(shí)。同時(shí)，貴重設(shè)備的定位也是未來值得關(guān)注的一個(gè)大的潛在應(yīng)用領(lǐng)域，加大在大型停車場，礦井人員定位等方面的應(yīng)用。

　　作為離我們最近的中國市場，ZigBee產(chǎn)品的應(yīng)用爆發(fā)可能需要的時(shí)間更長，中國的無線網(wǎng)絡(luò)市場還未成熟，本土廠商的參與度還非常有限，未來ZigBee產(chǎn)業(yè)人士要加大無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)，車用無線領(lǐng)域等工業(yè)應(yīng)用，便攜設(shè)備等高端市場的應(yīng)用。

　　綜上所述，作為新興的短距離無線通信技術(shù)，ZigBee產(chǎn)品將以各種各樣的方式快步向我們走來，成為人類工作和生活中布可或缺的一部分。

　　二、zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　基于zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于網(wǎng)點(diǎn)多、體積小、數(shù)據(jù)量小，傳輸可靠、低功耗等場合，在環(huán)境監(jiān)測、無線抄表、智能小區(qū)、工業(yè)控制等領(lǐng)域已取得一席之地［1］。同時(shí)，zigbee規(guī)范與協(xié)議日臻完善［2］。從zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee協(xié)議規(guī)范的演進(jìn)對硬件系統(tǒng)提出了更高的要求［3］。

　　2 設(shè)計(jì)要求

　　2.1 zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，zigbee網(wǎng)絡(luò)有星形，樹形，網(wǎng)狀3種模式，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能劃分可分為終端節(jié)點(diǎn)（ep）、路由器節(jié)點(diǎn)（rp）和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（cp）3種［2］。其組織結(jié)構(gòu)如圖1示。

　　圖1 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)起并維護(hù)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò);路由器節(jié)點(diǎn)支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā);終端節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作［2］。這就要求zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需扮演終端感知者、網(wǎng)絡(luò)支持者、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者3種角色。

　　從功能上，zigbee節(jié)點(diǎn)應(yīng)由微控制器模塊、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)模塊、電源模塊和其它外設(shè)功能模塊組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊圖

　　其中，包括dma、usart模塊、定時(shí)器模塊、a/d模塊在內(nèi)的豐富的外設(shè)功能來滿足網(wǎng)絡(luò)對硬件資源的需求，存儲(chǔ)器模塊完成協(xié)議棧的存儲(chǔ)與執(zhí)行，cpu實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理，mac定時(shí)器用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步，使用aes技術(shù)對信息進(jìn)行加密，無線模塊完成收據(jù)的收發(fā)與信息幀控制。

　　2.2 zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求

　?。?）可供選擇的無線頻段。無線頻段的選擇要兼具較高的傳輸速率和較好的繞射性能，同時(shí)要具備一定的抗干擾力。2.4ghz頻段是ieee 502.15.4定義的工作在ism頻段的兩個(gè)工作頻段之一，有16個(gè)速率為250kb/s的信道。

　?。?）體積小，成本低，易于大規(guī)模布建。zigbee技術(shù)較其它無線技術(shù)的優(yōu)勢在于自組網(wǎng)，這就需要布建大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此成本問題凸顯出來，有資料顯示：10$左右的zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有較高的性價(jià)比。

　?。?）可靠性。與有線傳輸介質(zhì)相比，無線信號(hào)傳輸更容易受到衰落、多徑和干擾等問題，zigbee網(wǎng)絡(luò)是工作在2.4ghz ism頻段，與其他無線信道之間干擾是不可避免的。為保證網(wǎng)絡(luò)在有效范圍內(nèi)建立可靠的傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突，使用合理的擴(kuò)頻技術(shù)。

　?。?）通用性。布建zigbee網(wǎng)絡(luò)的最終目的是通過網(wǎng)絡(luò)完成各類操作，主要是i/o操作和a/d操作，這就要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有一定的通用性，能滿足各類傳感器和終端設(shè)備的操作要求。

　　（5）低功耗，支持電池供電。低功耗是zigbee的重要特征，支持休眠-喚醒模式和引入功率控制機(jī)制使設(shè)備更加省電。典型的zigbee節(jié)點(diǎn)在使用普通電池供電的情況下工作12個(gè)月以上。

　　zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)按照上述的原則與規(guī)劃進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1芯片選型

　　zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發(fā)模塊的協(xié)作下完成zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，數(shù)據(jù)采集與處理，無線數(shù)據(jù)收發(fā)以及zigbee2007協(xié)議棧的正常運(yùn)行［3］。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中可以根據(jù)成本與操作可行性等因數(shù)選擇不同的的設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)選擇集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的單芯片解決方案。

　　設(shè)計(jì)選用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz頻段，是符合ieee 802.15.4規(guī)范的真正片上系統(tǒng)解決方案，也是目前眾多zigbee設(shè)備產(chǎn)品中表現(xiàn)最為出眾的微處理器之一。其主要特性如下：

　?。?）片內(nèi)集成增強(qiáng)型高速8051內(nèi)核處理器，支持代碼預(yù)取;256kflash程序存儲(chǔ)器，支持最新zigbee2007pro協(xié)議;8k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;支持硬件調(diào)試［3］。

　?。?）支持2v-3.6v供電區(qū)間，具有3種電源管理模式：喚醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中斷模式0.4ua。包括處理器和智能片內(nèi)外設(shè)在內(nèi)的模塊，具有超低功耗的特點(diǎn)［3］。

　?。?）片內(nèi)集成5通道dma;mac定時(shí)器;1個(gè)16位、兩個(gè)8位普通定時(shí)器;32khz睡眠定時(shí)器;電源管理與片內(nèi)溫度傳感器;8通道12位ad轉(zhuǎn)換器;看門狗等智能外設(shè)［3］。高密度集成化電路節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

　?。?）應(yīng)用范圍包括2.4g-hz ieee 802.15.4系統(tǒng)、rf4ce遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、zigbee網(wǎng)絡(luò)、家居自動(dòng)化、照明系統(tǒng)、工業(yè)測控、低功耗wsn等領(lǐng)域［3］。

　　cc2530芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3 cc2530片內(nèi)功能模塊圖

　　3.2硬件整體設(shè)計(jì)

　　在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)中，cc2530需要實(shí)現(xiàn)的功能以及外圍模塊主要有3個(gè)部分：通過a/d口控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;控制無線rf模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā);通過i/o口相應(yīng)主機(jī)控制。傳感器采集的數(shù)據(jù)也可通過i/o口與微處理器相連，通過rs232接口可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與pc機(jī)的通信［3］。外圍硬件電路原理圖如圖4所示。

　　圖4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件參考電路圖

　　由于cc2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔。其中，主時(shí)鐘晶振采用32mhz無源晶振以及32.768khz時(shí)鐘晶振;無線rf模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，天線使用50歐鞭狀負(fù)極性天線，具體的元器件封裝信息參見附表所示。

　　附表 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)封裝信息表

　　為了更好提高芯片內(nèi)部電壓精度，輸入電壓應(yīng)采用調(diào)制后的3.3v穩(wěn)壓電源，接內(nèi)部參考電壓的外圍電阻r301精度要在0.5%以上，且選用質(zhì)量較好的電感、電容等器件。為了指示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，在硬件設(shè)計(jì)中加入兩個(gè)狀態(tài)指示燈，使用220歐的限流電阻，分別接在微處理器芯片的p10、p11口，用于指示設(shè)備入網(wǎng)、退網(wǎng)等狀態(tài)，方便開發(fā)人員觀察，指示燈為可選電路，可根據(jù)需求選擇使用。

　　3.3 pcb設(shè)計(jì)

　　cc2530的zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)pcb設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它同時(shí)具備數(shù)字電路與高頻電路的特點(diǎn)。在元件布局盡量緊湊、美觀;在數(shù)字信號(hào)線走線上做到自然、平滑;高頻部分包括匹配電感、電容布局盡量獨(dú)立、避免干擾，并符合天線特性;節(jié)點(diǎn)接口分布采用ti標(biāo)準(zhǔn)接口形式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠。由于cc2530集無線收發(fā)和微處理器于一體，只需要極少的外圍輔助電路［3］，因此pcb的設(shè)計(jì)要完全適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)pcb圖和實(shí)物如圖5所示。pcb板的尺寸為長寬高25mm×41mm×1.6mm，接口為11×2雙排插針，間距2.54mm。接口管腳定義為ti的標(biāo)準(zhǔn)接口。

　　圖5 通信模塊圖

　　3.4 硬件測試

　　經(jīng)實(shí)地測量，在不加功率增益的情況下有效傳輸距離120米;最大輸出功率10dbm;接收靈敏度-97dbm;功耗方面：接收模式24ma，發(fā)送模式29ma，低功耗模式0.4ua。該設(shè)備具有功能模塊專一、接口穩(wěn)固通用的特點(diǎn)，8路模擬量輸入接口，4路數(shù)字量輸入輸出接口，2路數(shù)字量輸出接口和1個(gè)rs232接口。

　　4 結(jié)束語

　　本文介紹了zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求、性能特點(diǎn)與構(gòu)建框架和較為詳盡的設(shè)計(jì)過程;給出了外圍電路的設(shè)計(jì)以及實(shí)際設(shè)計(jì)出的實(shí)物和元器件參數(shù);無線射頻部分的特點(diǎn)和pcb設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。

　　三、基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境?；谥悄芗揖拥淖钚露x，參考ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的本系統(tǒng)，在包含了智能家居必備系統(tǒng)（智能家居（中央）控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上，加入了家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)和家庭環(huán)境控制系統(tǒng)。在智能家居的認(rèn)定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。因此，本系統(tǒng)可以稱為是智能家居。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)由家庭內(nèi)被控制設(shè)備和遠(yuǎn)程控制設(shè)備組成。其中家庭內(nèi)被控制設(shè)備主要有能訪問Internet的計(jì)算機(jī)、控制中心、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和選擇添加的家用電器控制器。遠(yuǎn)程控制設(shè)備主要由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和手機(jī)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　系統(tǒng)的主要功能有：1）網(wǎng)頁前臺(tái)頁面的瀏覽，后臺(tái)信息管理；2）通過Internet和手機(jī)兩種遠(yuǎn)程控制方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)家用電器、安防和燈光的開關(guān)控制；3）通過RFID模塊實(shí)現(xiàn)用戶識(shí)別，從而完成室內(nèi)安防狀態(tài)的開關(guān)，在盜賊入侵時(shí)通過短信息（SMS）向用戶報(bào)警；4）通過中央控制管理系統(tǒng)軟件完成室內(nèi)燈光及家電的本地控制和狀態(tài)顯示；5）利用數(shù)據(jù)庫完成個(gè)人信息存儲(chǔ)和室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)存儲(chǔ)，通過中央控制管理系統(tǒng)方便用戶查詢室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括控制中心、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和選擇添加的家用電器控制器（這里以電風(fēng)扇控制器為例）的設(shè)計(jì)。

　　2．1 控制中心

　　控制中心主要功能有：1）組建無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)，把所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中，并實(shí)現(xiàn)新設(shè)備的接收；2）用戶身份識(shí)別，用戶在離家或歸來時(shí)通過用戶卡實(shí)現(xiàn)室內(nèi)安防的開關(guān)；3）當(dāng)有盜賊入侵室內(nèi)時(shí)，通過向用戶發(fā)送短信息報(bào)警。用戶也可通過短信息控制室內(nèi)安防、燈光及家電；4）系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，液晶顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，方便用戶查看；5）存儲(chǔ)電器設(shè)備狀態(tài)并發(fā)送至PC機(jī)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)。根據(jù)控制中心的功能設(shè)計(jì)出它的組成框圖如圖2所示。

　　選用TI公司的CC2430單片機(jī)作為ZigBee模塊的控制器，它是一款高性能、低功耗的805l內(nèi)核的單片機(jī)。也是一款符合IEEE802．15．4規(guī)范的2．4 GHz的射頻器件，硬件支持載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測（CSMA／CA），2．0～3．6 V的工作電壓有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗。通過連接在控制中心的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，在室內(nèi)建立無線星形ZigBee網(wǎng)絡(luò)．并將所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、選擇添加的家用電器控制器作為該網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)

　　點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)安防及家電的無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制。

　　控制中心MCU采用8位單片機(jī)ATMegal28，該器件是一款高性能、低功耗的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，大多數(shù)指令可在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，最高工作于16 MHz，具有128 K的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4 K字節(jié)的EEPROM和2個(gè)串行接口。它與GSM模塊、RFID模塊、液晶模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器和PC機(jī)相連，是整套硬件系統(tǒng)的核心，完成對中央控制管理系統(tǒng)的響應(yīng)和對各模塊的驅(qū)動(dòng)。GSM模塊采用TC35i模塊。它通過串行UART接口直接與控制中心MCU相連。RFID模塊采用ZLG500模塊，其內(nèi)部集成了MFRC500型ISO14443A讀卡器，能夠讀寫RC500內(nèi)的．EEPROM。由于ZLG500并不是采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口規(guī)范，故只能與單片機(jī)的通用I／O接口相連才能實(shí)現(xiàn)通信。液晶模塊選用1602液晶，采用4線接口與控制中心MCU的通用I／O接口相連。ZigBee協(xié)調(diào)器與控制中心MCU采用2線接口即可實(shí)現(xiàn)兩者間的數(shù)據(jù)雙向傳輸?？刂浦行腗CU與計(jì)算機(jī)RS232串口相連，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，實(shí)時(shí)性好。

　　2．2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)

　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能有：1）人體信號(hào)的檢測，當(dāng)盜賊入侵時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警；2）燈光的控制，其控制方式分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，自動(dòng)控制是根據(jù)室內(nèi)光線的強(qiáng)弱自動(dòng)打開／關(guān)閉燈光，手動(dòng)控制是通過中央控制管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燈光控制：3）將報(bào)警信息及其他信息發(fā)送至控制中心，并接收來自控制中心的控制指令以完成設(shè)備控制。從監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能出發(fā)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成如圖3所示。

　　紅外加微波的探測模式是目前在人體信號(hào)檢測時(shí)最常用的方式。熱釋電紅外探頭這里選用RE200B，放大器件采用BISS0001。RE200B由3～10 V電壓供電，內(nèi)置熱釋電雙敏感紅外元件，當(dāng)元件接收紅外光時(shí)在每個(gè)元件兩極發(fā)生光電效應(yīng)而積累電荷。BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。它與RE200B及少量元件就可構(gòu)成被動(dòng)式熱釋電紅外開關(guān)。微波傳感器選用ANT-G100模塊，中心頻率是10 GHz，建立時(shí)間最大值是6μs。與熱釋電紅外模塊復(fù)合使用，可有效降低目標(biāo)探測錯(cuò)誤率。

　　燈光控制模塊主要由光敏電阻和燈光控制繼電器組成。將光敏電阻與10 kΩ的可調(diào)電阻串聯(lián)，再將光敏電阻另一端接地，可調(diào)電阻另一端接高電平。通過單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取兩個(gè)電阻連接點(diǎn)的電壓值，從而判定當(dāng)前燈光是否打開。可調(diào)電阻可供用戶調(diào)節(jié)，以滿足用戶設(shè)置燈光剛剛打開時(shí)的光線強(qiáng)度。室內(nèi)燈光的開關(guān)通過繼電器控制。只需一個(gè)輸入輸出口即可實(shí)現(xiàn)。

　　2．3 選擇添加的家用電器控制器

　　選擇添加的家用電器的控制主要根據(jù)設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制，這里以電風(fēng)扇為例。電風(fēng)扇控制就是控制中心將上位機(jī)下達(dá)的電風(fēng)扇控制指令通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至電風(fēng)扇控制器實(shí)現(xiàn)，不同的家電識(shí)別碼是不同的，例如，本協(xié)議規(guī)定電風(fēng)扇的識(shí)別碼是122，家用彩電的識(shí)別碼是123，這樣就實(shí)現(xiàn)控制中心對不同家電的識(shí)別。而對于相同的指令代碼，不同家電執(zhí)行的功能是不一樣的。圖4為選擇添加的家用電器組成。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括6部分，分別為遠(yuǎn)程控制網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、中央控制管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制中心主控制器ATMegal28程序設(shè)計(jì)、CC2430協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)、CC2430監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、CC2430選擇添加設(shè)備的程序設(shè)計(jì)。

　　3．1 ZigBee協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)

　　協(xié)調(diào)器首先完成應(yīng)用層初始化，將應(yīng)用層狀態(tài)和接收狀態(tài)設(shè)為空閑，然后打開全局中斷并初始化I／O端口。接著協(xié)調(diào)器開始建立無線星形網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議中，協(xié)調(diào)器自動(dòng)選擇2．4 GHz的頻段，每秒發(fā)送的最大比特?cái)?shù)為62 500，默認(rèn)的個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)號(hào)（PANID）是0x1347，最大的堆棧深度為5，最大單次發(fā)送的字節(jié)數(shù)為93，串口的波特率是57 600 bit／s，SL0W TIMER每秒產(chǎn)生中斷10次。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立成功后，協(xié)調(diào)器將其地址傳送給控制中心MCU。這里，控制中心MCU將ZigBee協(xié)調(diào)器識(shí)別為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的一員，它被識(shí)別的地址為0。程序進(jìn)入主循環(huán)。首先判斷是否有終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的新數(shù)據(jù)，如果有，則直接把這個(gè)數(shù)據(jù)傳送至控制中心MCU；判斷控制中心MCU是否有指令下傳，如果有則將下傳的指令發(fā)送到相應(yīng)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)；判斷安防是否打開，是否有盜賊入侵，如果有則把報(bào)警信息傳送至控制中心MCU；判斷燈光是否處于自動(dòng)控制狀態(tài)，如果是，則打開模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，采樣值是燈光打開或關(guān)閉的關(guān)鍵，如果發(fā)生燈光狀態(tài)改變則把新的狀態(tài)信息傳送到控制中心MC-U。ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程如圖5所示。

　　3．2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)

　　ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是指由ZigBee協(xié)調(diào)器控制的無線ZigBee節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中主要是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和選擇添加的家用電器控制器。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的初始化同樣包括應(yīng)用層初始化，打開中斷和初始化I／O口。接著嘗試加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，需要強(qiáng)調(diào)的是：只有和ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)置一致的終端節(jié)點(diǎn)才能加入到網(wǎng)絡(luò)中。如果ZigBee終端節(jié)點(diǎn)嘗試加入網(wǎng)絡(luò)失敗，則每兩秒重新嘗試一次，直至順利加入到網(wǎng)絡(luò)中。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，Zi-gBee終端節(jié)點(diǎn)將其注冊信息發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心MCU以完成ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的注冊。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)如果是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，則實(shí)現(xiàn)燈光及安防的控制，程序與ZigBee協(xié)調(diào)器部分類似，只是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)需將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳送至控制中心MCU。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)如果是電風(fēng)扇控制器，則只需接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)，而不必上傳狀態(tài)，故它的控制可以在無線數(shù)據(jù)接收中斷中直接完成。在無線數(shù)據(jù)接收中斷中，所有終端節(jié)點(diǎn)都是將接收的控制指令翻譯成對節(jié)點(diǎn)本身的控制參數(shù)，在節(jié)點(diǎn)主程序中不對接收的無線指令進(jìn)行任何處理。

　　4 聯(lián)機(jī)調(diào)試

　　由中央控制管理系統(tǒng)下發(fā)的對固定設(shè)備的指令編碼遞增的指令，通過計(jì)算機(jī)串口發(fā)送至控制中心MCU，并通過兩線接口發(fā)送至協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器發(fā)送至ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，在終端節(jié)點(diǎn)接收完成時(shí)將數(shù)據(jù)再次通過串口發(fā)送至PC機(jī)，在這臺(tái)PC機(jī)上完成ZigBee終端節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)與控制中心所發(fā)送的數(shù)據(jù)的比較。中央控制管理系統(tǒng)每一秒發(fā)送2條指令，經(jīng)過5 h的測試，測試軟件顯示共接收數(shù)據(jù)包數(shù)量為36000包時(shí)停止測試。多協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸測試軟件測試結(jié)果如圖6所示。正確數(shù)據(jù)包36 000，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包數(shù)為0，正確率為100％。

　　5 結(jié)束語

　　通過ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居內(nèi)部組網(wǎng)，具有遠(yuǎn)程控制方便，添加新設(shè)備靈活和控制性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過RFTD技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶身份識(shí)別，提高系統(tǒng)的安全性。通過GSM模塊的接入，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和報(bào)警功能。

　　四、基于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增大，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如機(jī)場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場等環(huán)境中，常常需要確定移動(dòng)終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置。但是受定位時(shí)間、定位精度以及室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術(shù)目前還無法很好地利用。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它最顯著的特點(diǎn)是低功耗和低成本。利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，且信號(hào)傳輸不受視距的影響。

　　1 相關(guān)核心技術(shù)概述

　　1.1 ZigBee技術(shù)概述

　　ZigBee技術(shù)［1］是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)率、低復(fù)雜度的雙向無線通信技術(shù)，它是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的無線協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE 802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議套件由應(yīng)用層、應(yīng)用架構(gòu)層、網(wǎng)絡(luò)層以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層等組成，協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

　　ZigBee可使用的頻段有3個(gè)，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz 頻段以及美國的915 MHz 頻段，不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個(gè)。中國采用2.4 GHz頻段，它是免申請和免使用費(fèi)的頻段；采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），傳輸距離介于10~75 m（增加RF發(fā)射功率，可達(dá)500 m）；傳輸速率為20~250 kb/s，適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸。ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)。

　　1.2 RSSI定位技術(shù)

　　RSSI［2］（Received Signal Strength Indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示）是指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度大小。在基于接收信號(hào)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(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)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)用中往往還需要改進(jìn)。接收信號(hào)強(qiáng)度是發(fā)射功率和發(fā)射器與接收器間距離的函數(shù)。

　　接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI理論值可由式 （1）表示：

　　RSSI=-（10n·lgd+A）（1）

　　其中，n代表信號(hào)傳播常量，也叫傳播指數(shù)；d代表距發(fā)射器間的距離；A代表距離1 m時(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度。

　　信號(hào)的衰減與距離成對數(shù)衰減的關(guān)系。節(jié)點(diǎn)到信號(hào)源的距離越近， 由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差越??；而當(dāng)距離大于某一值時(shí)，由RSSI波動(dòng)造成的絕對距離誤差將會(huì)很大。一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)可能收到n個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)， 所以應(yīng)當(dāng)采用RSSI值大的前幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，這樣可以避免定位誤差擴(kuò)大。

　　2 ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位的優(yōu)勢

　?。?） 功耗低

　　由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。ZigBee設(shè)備僅靠2節(jié)5號(hào)電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，其功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他無線設(shè)備。

　?。?） 成本低

　　與 GPS相比，定位引擎在單芯片 ZigBee RF收發(fā)器中與 MCU集成在一起，成本不及 GPS硬件的1/10，功耗也只是 GPS硬件的一小部分，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。

　?。?） 時(shí)延短

　　通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30 ms，休眠激活的時(shí)延是15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15 ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對實(shí)時(shí)定位要求較高的應(yīng)用。

　?。?） 網(wǎng)絡(luò)容量大

　　一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備，組網(wǎng)方式靈活。隨著ZigBee技術(shù)的成熟，未來ZigBee設(shè)備不斷增多，可以利用具有ZigBee RF的設(shè)備或基礎(chǔ)設(shè)施，容易組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，降低了ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和組網(wǎng)成本，且利用更多的ZigBee設(shè)備可以達(dá)到更高的定位精度。

　　3 室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　定位系統(tǒng)由盲節(jié)點(diǎn)（即待定位節(jié)點(diǎn)）和參考節(jié)點(diǎn)組成，為了便于用戶獲得位置信息，還需要一個(gè)與用戶進(jìn)行交互的控制終端和一個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　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(hào)，獲得參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值并將其送入定位引擎，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。

　　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，得到的位置信息就不精確，誤差大。對于CC2431，要得到好的定位精度，需要8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)；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)。CC2431的無線定位引擎可以處理最高達(dá)64 m的X、Y值。

　　為了收集計(jì)算得到的數(shù)據(jù)和與無線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)交互，特定的控制系統(tǒng)是必需的。一個(gè)典型的控制單元是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，然而一個(gè)PC沒有一個(gè)嵌入的無線接收器，因此接收器需要從外部接入，還需要一個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)。ZigBee網(wǎng)關(guān)的作用就是將無線網(wǎng)絡(luò)連接到控制終端，所有位置計(jì)算都由盲節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，所以控制終端不需要具備任何位置計(jì)算功能。它的唯一目的是讓用戶和無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，比如獲得盲節(jié)點(diǎn)的位置信息。

　　3.2 CC2431芯片簡介

　　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的定位引擎基于RSSI技術(shù)，根據(jù)接收信號(hào)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。

　　CC2431由2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻（DSSS）射頻收發(fā)器核心和增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器組成，是帶有128 KB閃存的8051內(nèi)核ZigBee無線單片機(jī)，并帶有定位跟蹤引擎。CC2431的設(shè)計(jì)結(jié)合了8 KB的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，它們是根據(jù)不同的閃存空間32 KB、64 KB和128 KB來優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。CC2431的尺寸只有7 mm×7 mm的48腳封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18 μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。針對協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件執(zhí)行時(shí)對MCU處理能力的要求，CC2431包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)行的時(shí)鐘頻率為32 MHz。CC2431還包含一個(gè)DMA控制器，它能夠被用于減輕8051微控制器內(nèi)核對數(shù)據(jù)搬移的操作，因此提高了芯片整體的性能。

　　系統(tǒng)基本硬件連接電路如圖3所示。連接50 Ω單極天線的部分由電感和電容構(gòu)成，其中的電感L1、L2還為芯片內(nèi)部的低噪聲放大器和功放提供直流偏置。也可采用一個(gè)無需阻抗匹配電路的折疊式偶極子PCB天線。圖3中，XTAL1為一個(gè)等效串聯(lián)電阻（ESR）《60 Ω的32 MHz晶振，R1為其建立精確的偏置電路，C1、C2是去耦電容，用于電源濾波，向電壓調(diào)節(jié)器提供穩(wěn)定的核心電壓。

　　圖3中，CC231還提供了良好的接地保護(hù)功能，除了48引腳外，其芯片底層提供了AGND接地引腳，可以有效地抑制噪聲，減少電磁干擾，保證電路系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

　　圖3 系統(tǒng)基本硬件連接電路

　　3.3 定位引擎操作流程

　　圖4 定位引擎操作流程

　　CC2431的硬件定位引擎與軟件定位方法相比的優(yōu)勢是： 速度快、精度高，不占用處理器時(shí)間。該定位引擎的主要特點(diǎn)如下：定位估計(jì)算法需3～8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)；定位估計(jì)以0.5 m為單位；計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置耗時(shí)少于40 μs；定位范圍為64 m；定位偏差低于3 m；定位引擎采用分布式計(jì)算方法，該方法使用已知參考節(jié)點(diǎn)的RSSI信息定位。在節(jié)點(diǎn)上分布式定位計(jì)算可避免集中計(jì)算方法帶來的大量網(wǎng)絡(luò)傳輸與通信延遲問題。定位引擎操作流程［3］如圖4所示。

　　在定位引擎運(yùn)行之前，必須使能定位引擎寄存器LO2CENG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(hào)，以降低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LO2CENG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（LO2CENG.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。

　　4 定位區(qū)域的擴(kuò)展

　　定位引擎可以處理最高達(dá)64 m的X、Y值，更準(zhǔn)確地說是63.75 m，但是這個(gè)區(qū)域?qū)?shí)際應(yīng)用來說顯得太小，因此擴(kuò)展區(qū)域非常必要?？梢酝ㄟ^軟件預(yù)處理算法來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)用2個(gè)字節(jié)代表X、Y。因?yàn)榫葹?.25 m， 因此最大范圍為16 384 m（214=16 384）。圖5是用預(yù)處理算法進(jìn)行區(qū)域擴(kuò)展的示意圖。

　　圖5 擴(kuò)展定位區(qū)域示意圖

　　該圖所示的區(qū)域中，在X、Y方向上每隔30 m放置一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，虛環(huán)中間的白色節(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)，所有節(jié)點(diǎn)用第1步中的補(bǔ)償值進(jìn)行修正；第3步，所有獲得值送入定位引擎，讀出由其計(jì)算得到的位置；最后一步，將補(bǔ)償值添加到計(jì)算得到的位置中，完成這些計(jì)算之后，盲節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)格中的位置就確定了。

　　結(jié)語

　　CC2431作為一款集成有定位引擎的ZigBee射頻收發(fā)器，結(jié)合其他ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)3～5 m的定位精度。ZigBee作為一種高性價(jià)比、低成本、低功耗、低復(fù)雜度的無線通信技術(shù)，以其來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線定位具有良好的應(yīng)用前景。隨著人們生活水準(zhǔn)的提高，人們對定位服務(wù)有著越來越高的需求，雖然目前已經(jīng)有多種定位技術(shù)，但是在室內(nèi)定位方面存在一定缺陷和不足。如果將這些定位技術(shù)和ZigBee定位技術(shù)結(jié)合起來，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更加完美和精準(zhǔn)的定位服務(wù)。