作者:艾春麗，張鳳登，劉榮鵬

1個(gè)報(bào)價(jià)

隨著建筑智能化的提高，人們不再滿(mǎn)足于僅僅利用攝像設(shè)備對(duì)建筑物內(nèi)的人或物進(jìn)行跟蹤監(jiān)控。因此，基于無(wú)線的定位技術(shù)正在悄然興起。這項(xiàng)技術(shù)不僅可以跟蹤目標(biāo)，監(jiān)控目標(biāo)的行動(dòng)路線，還可以預(yù)測(cè)目標(biāo)的前進(jìn)軌跡，這是傳統(tǒng)的攝像監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)定位系統(tǒng)涉及從底層硬件到頂層軟件的多項(xiàng)技術(shù)。本文只重點(diǎn)研究無(wú)線定位部分的硬件和軟件。

無(wú)線跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何定位。目前比較成熟的無(wú)線定位技術(shù)是GPS，但是這種技術(shù)不能用在建筑物上，所以我們需要尋找一種新的定位方法來(lái)達(dá)到我們的目的。這里，我們選擇基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)的信標(biāo)定位技術(shù)。大部分射頻芯片都能拿到RSSI，但考慮到整體性能，我們采用了全球免授權(quán)頻段的低功耗2.4 GHz射頻芯片CC2500，這是Chipon推出的。它體積小，易于操作，采用三線式SPI。與MCU通信，每次接收信號(hào)后能自動(dòng)產(chǎn)生RSSI，方便上層完成定位。

cc2500芯片介紹

2.1總體性能

他的主要特點(diǎn)是:

(1)體積小，外圍電路簡(jiǎn)單。CC22500僅采用20引腳、4×4 mmQLP封裝。與其他射頻芯片封裝相比，這種封裝更易于手工焊接。

(2)高靈敏度、低功耗、速度可調(diào)。CC2500與幾種常用的2.4 GHz射頻芯片的對(duì)比如表1所示。表中未標(biāo)明速率的數(shù)據(jù)是在250 KB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率下獲得的

(3)CC2500硬件支持分組數(shù)據(jù)處理。接收數(shù)據(jù)時(shí)，具有緩沖、信息同步字自動(dòng)檢測(cè)、地址檢測(cè)、信息長(zhǎng)度分析和CRC校驗(yàn)功能，支持前向糾錯(cuò)，內(nèi)部集成溫度傳感器。

2.2 WOR函數(shù)

為了省電，射頻芯片通常采用睡眠模式。芯片進(jìn)入睡眠狀態(tài)，必然會(huì)丟失信息。CC22500的WOR(無(wú)線喚醒)功能可以很好地避免這種情況。WOR功能確保芯片在深度睡眠期間會(huì)定期醒來(lái)，并監(jiān)聽(tīng)周?chē)男盘?hào)。這個(gè)過(guò)程不需要CPU中斷。如果成功接收到數(shù)據(jù)包，芯片可以通過(guò)引腳輸出中斷通知MCU讀取該數(shù)據(jù)包。使用WOR功能時(shí)，片內(nèi)RC時(shí)鐘用作WOR時(shí)鐘。溢出的周期時(shí)間可以通過(guò)編程來(lái)確定。

2.3 RSSI和LQI功能

RSSI反映了接收信號(hào)強(qiáng)度，LQI反映了信號(hào)連接質(zhì)量，兩者都可以通過(guò)讀取芯片的寄存器獲得。LQI可以判斷連接質(zhì)量，但不同的調(diào)制方式會(huì)有所不同。

RSSI是判斷兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離的一個(gè)很好的參數(shù)。從RSSI寄存器中讀取值后，我們需要進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換來(lái)獲得接收強(qiáng)度值。首先，判斷RSSI寄存器中的RSSI dec值是否大于128，如果是，則:

如果小于128，則:

其中，RSSI偏移隨不同的數(shù)據(jù)傳輸速率而變化，其值可參考文獻(xiàn)。

2.4 CCA功能

CCA(空閑信道評(píng)估)可以指示當(dāng)前信道是否處于空空閑狀態(tài)。它的功能類(lèi)似于CSMA。當(dāng)芯片要切換到傳輸模式時(shí)，會(huì)先檢查通道，只有通道空空閑時(shí)才進(jìn)入傳輸模式，否則會(huì)停留在原來(lái)的模式或者通過(guò)編程進(jìn)入其他模式。有三種情況可以觸發(fā)CCA功能:

(1)當(dāng)RSSI低于閾值時(shí)；

(2)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)；

(3)以上兩種都有。

2.5傳輸功率計(jì)

CC2500的功率表用于設(shè)置每次發(fā)送的發(fā)送功率，其中最多可以存儲(chǔ)8個(gè)字節(jié)的功率值。默認(rèn)情況下，每次發(fā)送時(shí)，從最低位功率值開(kāi)始讀取，一次讀取一個(gè)字節(jié)。當(dāng)讀取最后一個(gè)字節(jié)時(shí)，它會(huì)自動(dòng)返回到第一個(gè)字節(jié)。如有必要，可編程設(shè)置不會(huì)從第一個(gè)字節(jié)開(kāi)始讀取，以便調(diào)整發(fā)射功率。

3跟蹤算法

3.1定位算法

所謂的跟蹤軌跡，其實(shí)就是幾個(gè)定位結(jié)果按照時(shí)間順序的集合。所以如何定位很重要。目前常用的定位技術(shù)，如基于精確測(cè)距和質(zhì)心算法的定位方法，可以在空開(kāi)放環(huán)境下精確完成定位，但在建筑物內(nèi)部相對(duì)效果較差。實(shí)驗(yàn)表明，基于上述方法定位軌跡將是跳躍的而不是連續(xù)的。在建筑物內(nèi)定位有一個(gè)好處，就是要定位在里面的目標(biāo)對(duì)活動(dòng)空有一定的約束。比如一個(gè)人在走廊里行走，只能向前或者向后移動(dòng)，兩邊都有墻，這樣就走不動(dòng)了，所以他的軌跡其實(shí)是遵循一定規(guī)律的。因此，可以整合建筑物內(nèi)部的位置信息進(jìn)行定位。

考慮到上述應(yīng)用需求和環(huán)境，我們借鑒了文獻(xiàn)中的雷達(dá)系統(tǒng)，采用了基于RSSI技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)。但改進(jìn)了測(cè)試方法，用信標(biāo)定位代替了基站定位。

系統(tǒng)中有兩種節(jié)點(diǎn):一種是位置完全已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；一個(gè)是要測(cè)量其位置的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，我們基于CC2500硬件的節(jié)點(diǎn)在建筑內(nèi)的極限傳輸距離約為60 m(最大傳輸距離受PCB板射頻部分走線影響)，所以為了準(zhǔn)確起見(jiàn)，信標(biāo)間距為20 m，如果兩個(gè)位置之間有墻或障礙物，則必須放置兩個(gè)信標(biāo)，不遵守上述規(guī)則。當(dāng)然，信標(biāo)越多，定位越準(zhǔn)確。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)出信號(hào)。信標(biāo)收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)后，獲取信號(hào)強(qiáng)度值RSSI，根據(jù)強(qiáng)度值計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置，然后將定位信息發(fā)送給基站，完成定位工作。

建筑物定位算法通常有兩種:基于信號(hào)傳輸?shù)慕?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃突谛盘?hào)傳播的理論模型。后者的精度受建筑材料影響較大，最后需要大量的實(shí)驗(yàn)修正，所以我們采用信號(hào)傳播的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。首先放置信?biāo)。并給出它的坐標(biāo)。設(shè)兩個(gè)信標(biāo)間距離的一半為D(m)，若兩個(gè)信標(biāo)間有障礙物，則將信標(biāo)與障礙物間的距離定義為D，利用目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在距離D內(nèi)移動(dòng)，得到各點(diǎn)位置的RSSI，建立各點(diǎn)位置與信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系的離散數(shù)據(jù)表(X，Y，RSSI)。同時(shí)，要注意保證目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在每一點(diǎn)都會(huì)有用于定位的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)?？梢曄到y(tǒng)的定位精度:

其中(x1，y1，RSSI1)和(x2，y2，RSSI2)是離散數(shù)據(jù)表中相鄰的兩個(gè)數(shù)據(jù)。

定位時(shí)，信標(biāo)查找表進(jìn)行定位。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)小于表中的最小閾值RSSI時(shí)，它將被直接丟棄，其他信標(biāo)將定位它。

3.2聚類(lèi)路由算法

信標(biāo)得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置后，需要將位置信息發(fā)送給基站，基站進(jìn)入監(jiān)控軟件系統(tǒng)。建筑物中的信標(biāo)數(shù)量非常多。如果沒(méi)有選擇好的路由算法，很容易導(dǎo)致信息的丟失和誤碼率的增加。我們采用分簇路由算法，有利于分布式算法的應(yīng)用，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。簇頭節(jié)點(diǎn)承擔(dān)數(shù)據(jù)融合的任務(wù)，可以大大降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量，在使用電池電源的情況下，還可以顯著延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)被固定地分成若干簇，每個(gè)簇選擇一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。在選擇簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)注意選擇遠(yuǎn)程位置的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這種信標(biāo)定位工作相對(duì)較少，不容易造成定位和傳輸?shù)臎_突。分簇主要基于地理位置，每個(gè)簇中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不需要相同，這有助于避免數(shù)據(jù)發(fā)送到基站時(shí)發(fā)生沖突。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)為簇內(nèi)所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在自己指定的時(shí)間向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位信息。簇頭節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的信息后，將其合成，匯總成一幀數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。在該幀中，所有信標(biāo)的定位時(shí)間差被忽略為相同時(shí)間的定位信息。

比如使用一次2s定位，有一個(gè)5節(jié)點(diǎn)的簇，簇頭節(jié)點(diǎn)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙可以是300 ms，傳輸速率為250 kb/s的CC2500可以在這個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成定位和數(shù)據(jù)傳輸。這可以為簇頭節(jié)點(diǎn)留下大約800 ms的數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。信標(biāo)數(shù)據(jù)融合的過(guò)程如圖1所示。

數(shù)據(jù)上傳到基站后，基站通過(guò)網(wǎng)口上傳到電腦的監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件以圖形方式顯示節(jié)點(diǎn)的位置，如圖2所示。

4個(gè)結(jié)字

實(shí)驗(yàn)表明，CC2500能夠很好地完成系統(tǒng)中的定位工作，但這種定位方法比較簡(jiǎn)單，不夠精確，其精度主要取決于系統(tǒng)形成前RSSI數(shù)據(jù)表的精度。由于整個(gè)測(cè)量過(guò)程具有相當(dāng)大的隨機(jī)性和主觀因素，通常無(wú)法達(dá)到理想水平。如何減少這種主觀因素，如何減少之前的工作量，還需要進(jìn)一步探索。

編輯:gt

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