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　　一、ZigBee現狀及前景分析

　　ZigBee從2002年ZigBee Alliance成立到2006年聯盟推出比較成熟的ZigBee 2006標準協議，至今已走過了多個春秋，當Zigbee幾年前剛出現時，它的支持者曾設想這種基于IEEE 802.15.4規范的無線技術擁有潛在的巨大市場。在低吞吐量、短距離通信應用中，成本是第一王牌，而類似藍牙、802.11x和802.15.3等規范的性能過于強大。但對于一些Zigbee支持者來說，當初的設想并沒有成為現實。

　　任何一項通信協議標準都離不開上游芯片廠商的支持和推動，ZigBee作為一項低功耗;低速率無線短距離傳輸應用的標準，自然也離不開芯片廠商的支持。從整個ZigBee產業聯盟來看，主要的上游芯片供應商有五家，分別為Jennic;Ti（Chipcon）;Frescale;Ember;Ateml。“芯片”實際上只是一個符合物理層標準的芯片，它只負責調制解調無線通訊信號，所以必須結合單片機才能完成對數據的接收發送和協議的實現。為了進一步減少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集成了物理層的收發和單片機功能的單Soc解決方案，單Soc把射頻部分和單片機部分集成在了一起，不需要額外的一個單片機，它的好處是節約成本，簡化設計電路。而且基本上每家芯片公司都免費提供了基于自家芯片的ZigBee協議棧，大大地加速了ZigBee的應用和普及。

　　隨著ZigBee協議標準的逐步完善和物聯網大環境的帶動，整個ZigBee產業可以說是朝著越來越繁盛的趨勢發展，在5大上游芯片廠商和ZigBee聯盟的不斷努力推動下，基于ZigBee應用層出不窮，并和我們的實際生活接軌，讓人們的生活更加智能美好了！

　　ZigBee技術的應用十分廣泛，現階段以商業大樓自動化，家庭自動化控制（新建安裝）與儀表控制為重點。商業大樓可以利用ZigBee完成自動控制，管理員可以有效地管理空調，燈光，火災感應系統等各項開關控制系統，可以達到減少能源費用，降低管理人力等節約目的。對消費者來說，若家中具有ZigBee系統，可方便的監控家中的整體運作，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控各種不同情況，一旦偵查到異狀即可自動發出警告。ZigBee在儀表控制市場隨著國際儀表巨頭中國華立儀表集團;韓國NURI Telecom等紛紛開始引進ZigBee技術之儀表控制系統之后，這個市場開始受到重視。ZigBee儀表控制系統相當適合人工高昂，幅員遼闊，或是抄表員素質不良，抄表準確度不高，又或抄表員不易進入水，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，主要表現在在于可應用的終端商用產品還多處于研發階段，真正上市的不多，具有典型應用的方向和領域便少，點對點的應用較多，體現ZigBee優勢的網狀網絡應用少，缺乏體現ZigBee大型組網應用。

　　雖然ZigBee在艱難中前進，但未來整個ZigBee產品還是值得我們期待，從技術標準層面上來看，未來ZigBee將緊密迎合物聯網大概念方向趨勢的發展，努力扮演好傳輸層界面上的角色，在ZigBee聯盟的推動下，ZigBee技術將朝著開發SoC（片上系統），更多規范，于IPV6結合，更廉價，更省電，更快速等方向發展。從應用領域和方向方面來看，ZigBee完全有機會開拓在目前大然的智能手機領域中的應用，目前智能手機領域里短距離數據傳輸主要是通過藍牙方式來實現，但相比于藍牙，ZigBee的低功耗更具有優勢，2節5號干電池可支持1個節點工作6~24個月，甚至更長，相比較，藍牙能工作數周，WiFi只能工作數小時。同時，貴重設備的定位也是未來值得關注的一個大的潛在應用領域，加大在大型停車場，礦井人員定位等方面的應用。

　　作為離我們最近的中國市場，ZigBee產品的應用爆發可能需要的時間更長，中國的無線網絡市場還未成熟，本土廠商的參與度還非常有限，未來ZigBee產業人士要加大無線自動抄表系統，車用無線領域等工業應用，便攜設備等高端市場的應用。

　　綜上所述，作為新興的短距離無線通信技術，ZigBee產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網絡拓撲結構及節點設計

　　1 引言

　　基于zigbee技術的無線傳感器網絡適用于網點多、體積小、數據量小，傳輸可靠、低功耗等場合，在環境監測、無線抄表、智能小區、工業控制等領域已取得一席之地［1］。同時，zigbee規范與協議日臻完善［2］。從zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee協議規范的演進對硬件系統提出了更高的要求［3］。

　　2 設計要求

　　2.1 zigbee網絡結構

　　從網絡結構上看，zigbee網絡有星形，樹形，網狀3種模式，按照網絡節點功能劃分可分為終端節點（ep）、路由器節點（rp）和協調器節點（cp）3種［2］。其組織結構如圖1示。

　　圖1 zigbee網絡拓撲結構

　　其中，協調器節點負責發起并維護一個無線網絡，識別網絡中的設備加入網絡;路由器節點支撐網絡鏈路結構，完成數據包的轉發;終端節點是網絡的感知者和執行者，負責數據采集和可執行的網絡動作［2］。這就要求zigbee網絡節點需扮演終端感知者、網絡支持者、網絡協調者3種角色。

　　從功能上，zigbee節點應由微控制器模塊、存儲器、無線收發模塊、電源模塊和其它外設功能模塊組成。其結構如圖2所示。

　　圖2 zigbee網絡節點模塊圖

　　其中，包括dma、usart模塊、定時器模塊、a/d模塊在內的豐富的外設功能來滿足網絡對硬件資源的需求，存儲器模塊完成協議棧的存儲與執行，cpu實現數據的運算與處理，mac定時器用于實現網絡同步，使用aes技術對信息進行加密，無線模塊完成收據的收發與信息幀控制。

　　2.2 zigbee網絡節點設計要求

　　（1）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頻段的兩個工作頻段之一，有16個速率為250kb/s的信道。

　　（2）體積小，成本低，易于大規模布建。zigbee技術較其它無線技術的優勢在于自組網，這就需要布建大規模的網絡節點，因此成本問題凸顯出來，有資料顯示：10$左右的zigbee網絡節點有較高的性價比。

　　（3）可靠性。與有線傳輸介質相比，無線信號傳輸更容易受到衰落、多徑和干擾等問題，zigbee網絡是工作在2.4ghz ism頻段，與其他無線信道之間干擾是不可避免的。為保證網絡在有效范圍內建立可靠的傳輸，網絡節點應選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突，使用合理的擴頻技術。

　　（4）通用性。布建zigbee網絡的最終目的是通過網絡完成各類操作，主要是i/o操作和a/d操作，這就要求網絡節點有一定的通用性，能滿足各類傳感器和終端設備的操作要求。

　　（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制使設備更加省電。典型的zigbee節點在使用普通電池供電的情況下工作12個月以上。

　　zigbee網絡節點的設計應按照上述的原則與規劃進行硬件設計和軟件設計。

　　3 硬件設計

　　3.1芯片選型

　　zigbee網絡節點硬件設計的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發模塊的協作下完成zigbee網絡的建立與維護，數據采集與處理，無線數據收發以及zigbee2007協議棧的正常運行［3］。在網絡節點的硬件設計中可以根據成本與操作可行性等因數選擇不同的的設計方案，本設計選擇集微處理器模塊和無線收發模塊于一體的單芯片解決方案。

　　設計選用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz頻段，是符合ieee 802.15.4規范的真正片上系統解決方案，也是目前眾多zigbee設備產品中表現最為出眾的微處理器之一。其主要特性如下：

　　（1）片內集成增強型高速8051內核處理器，支持代碼預取;256kflash程序存儲器，支持最新zigbee2007pro協議;8k數據存儲器;支持硬件調試［3］。

　　（2）支持2v-3.6v供電區間，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外設在內的模塊，具有超低功耗的特點［3］。

　　（3）片內集成5通道dma;mac定時器;1個16位、兩個8位普通定時器;32khz睡眠定時器;電源管理與片內溫度傳感器;8通道12位ad轉換器;看門狗等智能外設［3］。高密度集成化電路節約設計成本。

　　（4）應用范圍包括2.4g-hz ieee 802.15.4系統、rf4ce遠程控制系統、zigbee網絡、家居自動化、照明系統、工業測控、低功耗wsn等領域［3］。

　　cc2530芯片結構如圖3所示。

　　圖3 cc2530片內功能模塊圖

　　3.2硬件整體設計

　　在網絡節點硬件平臺中，cc2530需要實現的功能以及外圍模塊主要有3個部分：通過a/d口控制傳感器模塊進行數據采集;控制無線rf模塊完成數據收發;通過i/o口相應主機控制。傳感器采集的數據也可通過i/o口與微處理器相連，通過rs232接口可實現網絡節點與pc機的通信［3］。外圍硬件電路原理圖如圖4所示。

　　圖4 網絡節點硬件參考電路圖

　　由于cc2530芯片內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，主時鐘晶振采用32mhz無源晶振以及32.768khz時鐘晶振;無線rf模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網絡，天線使用50歐鞭狀負極性天線，具體的元器件封裝信息參見附表所示。

　　附表 網絡節點封裝信息表

　　為了更好提高芯片內部電壓精度，輸入電壓應采用調制后的3.3v穩壓電源，接內部參考電壓的外圍電阻r301精度要在0.5%以上，且選用質量較好的電感、電容等器件。為了指示網絡節點的運行狀態，在硬件設計中加入兩個狀態指示燈，使用220歐的限流電阻，分別接在微處理器芯片的p10、p11口，用于指示設備入網、退網等狀態，方便開發人員觀察，指示燈為可選電路，可根據需求選擇使用。

　　3.3 pcb設計

　　cc2530的zigbee網絡節點pcb設計是硬件設計的關鍵，它同時具備數字電路與高頻電路的特點。在元件布局盡量緊湊、美觀;在數字信號線走線上做到自然、平滑;高頻部分包括匹配電感、電容布局盡量獨立、避免干擾，并符合天線特性;節點接口分布采用ti標準接口形式，結構穩固可靠。由于cc2530集無線收發和微處理器于一體，只需要極少的外圍輔助電路［3］，因此pcb的設計要完全適合無線傳感器網絡應用。本設計中zigbee網絡節點pcb圖和實物如圖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的標準接口。

　　圖5 通信模塊圖

　　3.4 硬件測試

　　經實地測量，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，發送模式29ma，低功耗模式0.4ua。該設備具有功能模塊專一、接口穩固通用的特點，8路模擬量輸入接口，4路數字量輸入輸出接口，2路數字量輸出接口和1個rs232接口。

　　4 結束語

　　本文介紹了zigbee網絡節點設計要求、性能特點與構建框架和較為詳盡的設計過程;給出了外圍電路的設計以及實際設計出的實物和元器件參數;無線射頻部分的特點和pcb設計中的注意事項。

　　三、基于ZigBee的智能家居系統設計

　　智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。基于智能家居的最新定義，參考ZigBee技術的特點，設計出的本系統，在包含了智能家居必備系統（智能家居（中央）控制管理系統、家居照明控制系統、家庭安防系統）的基礎上，加入了家居布線系統、家庭網絡系統、背景音樂系統和家庭環境控制系統。在智能家居的認定上，只有完整地安裝了所有的必備系統，并且至少選裝了一種及以上的可選系統的家居系統才能稱為智能家居。因此，本系統可以稱為是智能家居。

　　1 系統設計方案

　　該系統設計由家庭內被控制設備和遠程控制設備組成。其中家庭內被控制設備主要有能訪問Internet的計算機、控制中心、監控節點和選擇添加的家用電器控制器。遠程控制設備主要由遠程計算機和手機組成。系統組成如圖1所示。

　　系統的主要功能有：1）網頁前臺頁面的瀏覽，后臺信息管理；2）通過Internet和手機兩種遠程控制方式實現室內家用電器、安防和燈光的開關控制；3）通過RFID模塊實現用戶識別，從而完成室內安防狀態的開關，在盜賊入侵時通過短信息（SMS）向用戶報警；4）通過中央控制管理系統軟件完成室內燈光及家電的本地控制和狀態顯示；5）利用數據庫完成個人信息存儲和室內設備狀態存儲，通過中央控制管理系統方便用戶查詢室內設備狀態。

　　2 系統硬件設計

　　系統硬件設計包括控制中心、監控節點和選擇添加的家用電器控制器（這里以電風扇控制器為例）的設計。

　　2．1 控制中心

　　控制中心主要功能有：1）組建無線ZigBee網絡，把所有監控節點加入網絡中，并實現新設備的接收；2）用戶身份識別，用戶在離家或歸來時通過用戶卡實現室內安防的開關；3）當有盜賊入侵室內時，通過向用戶發送短信息報警。用戶也可通過短信息控制室內安防、燈光及家電；4）系統單機運行時，液晶顯示當前系統狀態，方便用戶查看；5）存儲電器設備狀態并發送至PC機，以實現系統聯機。根據控制中心的功能設計出它的組成框圖如圖2所示。

　　選用TI公司的CC2430單片機作為ZigBee模塊的控制器，它是一款高性能、低功耗的805l內核的單片機。也是一款符合IEEE802．15．4規范的2．4 GHz的射頻器件，硬件支持載波監聽多路訪問／沖突檢測（CSMA／CA），2．0～3．6 V的工作電壓有利于實現系統低功耗。通過連接在控制中心的ZigBee協調器模塊，在室內建立無線星形ZigBee網絡．并將所有監控節點、選擇添加的家用電器控制器作為該網絡中的終端節

　　點加入網絡中，從而實現室內安防及家電的無線ZigBee網絡控制。

　　控制中心MCU采用8位單片機ATMegal28，該器件是一款高性能、低功耗的RISC結構的單片機，大多數指令可在1個時鐘周期內完成，最高工作于16 MHz，具有128 K的系統內可編程Flash，4 K字節的EEPROM和2個串行接口。它與GSM模塊、RFID模塊、液晶模塊、ZigBee協調器和PC機相連，是整套硬件系統的核心，完成對中央控制管理系統的響應和對各模塊的驅動。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，其內部集成了MFRC500型ISO14443A讀卡器，能夠讀寫RC500內的．EEPROM。由于ZLG500并不是采用標準SPI接口規范，故只能與單片機的通用I／O接口相連才能實現通信。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協調器與控制中心MCU采用2線接口即可實現兩者間的數據雙向傳輸。控制中心MCU與計算機RS232串口相連，傳輸數據穩定、可靠，實時性好。

　　2．2 監控節點

　　監控節點的功能有：1）人體信號的檢測，當盜賊入侵時進行聲光報警；2）燈光的控制，其控制方式分為自動控制和手動控制，自動控制是根據室內光線的強弱自動打開／關閉燈光，手動控制是通過中央控制管理系統實現燈光控制：3）將報警信息及其他信息發送至控制中心，并接收來自控制中心的控制指令以完成設備控制。從監控節點的功能出發，監控節點組成如圖3所示。

　　紅外加微波的探測模式是目前在人體信號檢測時最常用的方式。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，內置熱釋電雙敏感紅外元件，當元件接收紅外光時在每個元件兩極發生光電效應而積累電荷。BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數模混合專用集成電路。它與RE200B及少量元件就可構成被動式熱釋電紅外開關。微波傳感器選用ANT-G100模塊，中心頻率是10 GHz，建立時間最大值是6μs。與熱釋電紅外模塊復合使用，可有效降低目標探測錯誤率。

　　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的可調電阻串聯，再將光敏電阻另一端接地，可調電阻另一端接高電平。通過單片機的模數轉換器獲取兩個電阻連接點的電壓值，從而判定當前燈光是否打開。可調電阻可供用戶調節，以滿足用戶設置燈光剛剛打開時的光線強度。室內燈光的開關通過繼電器控制。只需一個輸入輸出口即可實現。

　　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設備功能實現設備控制，這里以電風扇為例。電風扇控制就是控制中心將上位機下達的電風扇控制指令通過ZigBee網絡發送至電風扇控制器實現，不同的家電識別碼是不同的，例如，本協議規定電風扇的識別碼是122，家用彩電的識別碼是123，這樣就實現控制中心對不同家電的識別。而對于相同的指令代碼，不同家電執行的功能是不一樣的。圖4為選擇添加的家用電器組成。

　　3 系統軟件設計

　　系統軟件設計主要包括6部分，分別為遠程控制網頁設計、中央控制管理系統設計，控制中心主控制器ATMegal28程序設計、CC2430協調器程序設計、CC2430監控節點程序設計、CC2430選擇添加設備的程序設計。

　　3．1 ZigBee協調器的程序設計

　　協調器首先完成應用層初始化，將應用層狀態和接收狀態設為空閑，然后打開全局中斷并初始化I／O端口。接著協調器開始建立無線星形網絡。協議中，協調器自動選擇2．4 GHz的頻段，每秒發送的最大比特數為62 500，默認的個域網網絡號（PANID）是0x1347，最大的堆棧深度為5，最大單次發送的字節數為93，串口的波特率是57 600 bit／s，SL0W TIMER每秒產生中斷10次。在ZigBee網絡建立成功后，協調器將其地址傳送給控制中心MCU。這里，控制中心MCU將ZigBee協調器識別為監控節點的一員，它被識別的地址為0。程序進入主循環。首先判斷是否有終端節點發送的新數據，如果有，則直接把這個數據傳送至控制中心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送到相應的ZigBee終端節點；判斷安防是否打開，是否有盜賊入侵，如果有則把報警信息傳送至控制中心MCU；判斷燈光是否處于自動控制狀態，如果是，則打開模數轉換器進行采樣，采樣值是燈光打開或關閉的關鍵，如果發生燈光狀態改變則把新的狀態信息傳送到控制中心MC-U。ZigBee協調器程序流程如圖5所示。

　　3．2 ZigBee終端節點的程序設計

　　ZigBee終端節點是指由ZigBee協調器控制的無線ZigBee節點，在系統中主要是監控節點和選擇添加的家用電器控制器。ZigBee終端節點的初始化同樣包括應用層初始化，打開中斷和初始化I／O口。接著嘗試加入ZigBee網絡，需要強調的是：只有和ZigBee協調器設置一致的終端節點才能加入到網絡中。如果ZigBee終端節點嘗試加入網絡失敗，則每兩秒重新嘗試一次，直至順利加入到網絡中。加入網絡成功后，Zi-gBee終端節點將其注冊信息發送至ZigBee協調器，再由ZigBee協調器轉發至控制中心MCU以完成ZigBee終端節點的注冊。ZigBee終端節點如果是監控節點，則實現燈光及安防的控制，程序與ZigBee協調器部分類似，只是監控節點需將數據發送到ZigBee協調器，再由ZigBee協調器將數據傳送至控制中心MCU。ZigBee終端節點如果是電風扇控制器，則只需接收上位機的數據，而不必上傳狀態，故它的控制可以在無線數據接收中斷中直接完成。在無線數據接收中斷中，所有終端節點都是將接收的控制指令翻譯成對節點本身的控制參數，在節點主程序中不對接收的無線指令進行任何處理。

　　4 聯機調試

　　由中央控制管理系統下發的對固定設備的指令編碼遞增的指令，通過計算機串口發送至控制中心MCU，并通過兩線接口發送至協調器，再由協調器發送至ZigBee終端節點，在終端節點接收完成時將數據再次通過串口發送至PC機，在這臺PC機上完成ZigBee終端節點接收的數據與控制中心所發送的數據的比較。中央控制管理系統每一秒發送2條指令，經過5 h的測試，測試軟件顯示共接收數據包數量為36000包時停止測試。多協議數據傳輸測試軟件測試結果如圖6所示。正確數據包36 000，錯誤數據包數為0，正確率為100％。

　　5 結束語

　　通過ZigBee技術實現智能家居內部組網，具有遠程控制方便，添加新設備靈活和控制性能可靠等優點。通過RFTD技術實現用戶身份識別，提高系統的安全性。通過GSM模塊的接入，實現了遠程控制和報警功能。

　　四、基于ZigBee的室內定位系統設計

　　引言

　　隨著數據業務和多媒體業務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內環境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場等環境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內的位置。但是受定位時間、定位精度以及室內復雜環境等條件的限制，比較完善的定位技術目前還無法很好地利用。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它最顯著的特點是低功耗和低成本。利用ZigBee技術實現定位具有低成本、低功耗的優點，且信號傳輸不受視距的影響。

　　1 相關核心技術概述

　　1.1 ZigBee技術概述

　　ZigBee技術［1］是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數據率、低復雜度的雙向無線通信技術，它是基于IEEE 802.15.4標準開發的無線協議。網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定，IEEE 802.15.4負責物理層和鏈路層標準。完整的ZigBee協議套件由應用層、應用架構層、網絡層以及數據鏈路層和物理層等組成，協議棧結構如圖1所示。

　　圖1 ZigBee協議棧結構

　　ZigBee可使用的頻段有3個，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。中國采用2.4 GHz頻段，它是免申請和免使用費的頻段；采用直接序列擴頻技術DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），傳輸距離介于10~75 m（增加RF發射功率，可達500 m）；傳輸速率為20~250 kb/s，適合傳感器數據采集和控制數據的傳輸。ZigBee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和MESH網狀網。

　　1.2 RSSI定位技術

　　RSSI［2］（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示）是指節點接收到的無線信號強度大小。在基于接收信號強度指示RSSI 的定位中，已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗，利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離，再利用已有的算法計算出節點的位置。該技術硬件要求較低、算法相對簡單，在實驗室環境中表現出良好特性;但由于環境因素變化的原因，在實際應用中往往還需要改進。接收信號強度是發射功率和發射器與接收器間距離的函數。

　　接收信號強度RSSI理論值可由式 （1）表示：

　　RSSI=-（10n·lgd+A）（1）

　　其中，n代表信號傳播常量，也叫傳播指數；d代表距發射器間的距離；A代表距離1 m時的接收信號強度。

　　信號的衰減與距離成對數衰減的關系。節點到信號源的距離越近， 由RSSI值的偏差產生的絕對距離誤差越小；而當距離大于某一值時，由RSSI波動造成的絕對距離誤差將會很大。一個未知節點可能收到n個參考節點的信號， 所以應當采用RSSI值大的前幾個參考節點進行定位計算，這樣可以避免定位誤差擴大。

　　2 ZigBee技術實現定位的優勢

　　（1） 功耗低

　　由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。ZigBee設備僅靠2節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，其功耗遠遠低于其他無線設備。

　　（2） 成本低

　　與 GPS相比，定位引擎在單芯片 ZigBee RF收發器中與 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協議是免專利費的。

　　（3） 時延短

　　通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。因此ZigBee技術適用于對實時定位要求較高的應用。

　　（4） 網絡容量大

　　一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，組網方式靈活。隨著ZigBee技術的成熟，未來ZigBee設備不斷增多，可以利用具有ZigBee RF的設備或基礎設施，容易組建ZigBee網絡，降低了ZigBee節點設計和組網成本，且利用更多的ZigBee設備可以達到更高的定位精度。

　　3 室內定位系統設計

　　3.1 系統結構

　　定位系統由盲節點（即待定位節點）和參考節點組成，為了便于用戶獲得位置信息，還需要一個與用戶進行交互的控制終端和一個ZigBee網關。系統結構如圖2所示。

　　圖2 系統結構圖

　　參考節點是一個位于已知位置的靜態節點，這個節點知道自己的位置并可以將其位置通過發送數據包通知其他節點。盲節點從參考節點處接收數據包信號，獲得參考節點位置坐標及相應的RSSI值并將其送入定位引擎，然后可以讀出由定位引擎計算得到的自身位置。由參考節點發送給盲節點的數據包至少包含參考節點的坐標參數水平位置X和豎直位置Y，而RSSI值可由接收節點計算獲得。

　　一般來說參考節點越多越好，要得到一個可靠的定位坐標至少需要3個參考節點。如果參考節點太少，節點間影響會很大，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個參考節點；如果得不到8個節點，則應該使用盡可能多的節點。CC2431的無線定位引擎可以處理最高達64 m的X、Y值。

　　為了收集計算得到的數據和與無線節點網絡交互，特定的控制系統是必需的。一個典型的控制單元是一臺計算機，然而一個PC沒有一個嵌入的無線接收器，因此接收器需要從外部接入，還需要一個ZigBee網關。ZigBee網關的作用就是將無線網絡連接到控制終端，所有位置計算都由盲節點來實現，所以控制終端不需要具備任何位置計算功能。它的唯一目的是讓用戶和無線網絡進行交互，比如獲得盲節點的位置信息。

　　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（SoC）解決方案，能滿足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無線傳感器網絡的應用需要。CC2431的定位引擎基于RSSI技術，根據接收信號強度與已知參考節點位置準確計算出有關節點位置，然后將位置信息發送給接收端。

　　CC2431由2.4 GHz直接序列擴頻（DSSS）射頻收發器核心和增強型工業標準的8位8051微控制器組成，是帶有128 KB閃存的8051內核ZigBee無線單片機，并帶有定位跟蹤引擎。CC2431的設計結合了8 KB的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，它們是根據不同的閃存空間32 KB、64 KB和128 KB來優化復雜度與成本的組合。CC2431的尺寸只有7 mm×7 mm的48腳封裝，采用具有內嵌閃存的0.18 μm CMOS標準技術。針對協議棧、網絡和應用軟件執行時對MCU處理能力的要求，CC2431包含一個增強型工業標準的8位8051微控制器內核，運行的時鐘頻率為32 MHz。CC2431還包含一個DMA控制器，它能夠被用于減輕8051微控制器內核對數據搬移的操作，因此提高了芯片整體的性能。

　　系統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成，其中的電感L1、L2還為芯片內部的低噪聲放大器和功放提供直流偏置。也可采用一個無需阻抗匹配電路的折疊式偶極子PCB天線。圖3中，XTAL1為一個等效串聯電阻（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，向電壓調節器提供穩定的核心電壓。

　　圖3中，CC231還提供了良好的接地保護功能，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，保證電路系統穩定工作。

　　圖3 系統基本硬件連接電路

　　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勢是： 速度快、精度高，不占用處理器時間。該定位引擎的主要特點如下：定位估計算法需3～8個參考節點；定位估計以0.5 m為單位；計算節點位置耗時少于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算方法，該方法使用已知參考節點的RSSI信息定位。在節點上分布式定位計算可避免集中計算方法帶來的大量網絡傳輸與通信延遲問題。定位引擎操作流程［3］如圖4所示。

　　在定位引擎運行之前，必須使能定位引擎寄存器LO2CENG的第4位LOCENG.EN。當要停止定位引擎運行時，應往LOCENG.EN 寫入0關斷引擎的時鐘信號，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的寄存器的操作。

　　定位引擎運行時需要輸入3～8個參考坐標。參考坐標是以m為單位的，它表示各個參考節點的位置，其數值位于0～63.75，最高精度為0.25 m，以最低2位為小數部分，剩余6位為整數部分。參考坐標存放于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將要被寫入。一旦坐標寫入過程開始（LO2CENG.REFLD=1），8對坐標必須一次性寫入。當定位引擎使用少于8個參考坐標時，要將未用的參考坐標寫入0.0。

　　4 定位區域的擴展

　　定位引擎可以處理最高達64 m的X、Y值，更準確地說是63.75 m，但是這個區域對實際應用來說顯得太小，因此擴展區域非常必要。可以通過軟件預處理算法來實現。每個節點用2個字節代表X、Y。因為精度為0.25 m， 因此最大范圍為16 384 m（214=16 384）。圖5是用預處理算法進行區域擴展的示意圖。

　　圖5 擴展定位區域示意圖

　　該圖所示的區域中，在X、Y方向上每隔30 m放置一個參考節點，虛環中間的白色節點為盲節點，其他節點為參考節點。第1步，確定具有最高RSSI值的一個節點并計算一個補償值，使之“移動”到64 m×64 m范圍的中心。由于已知來自此節點的RSSI值，所以到此節點的距離很容易得到；第2步，確定除“最強”節點之外的其他使用節點，所有節點用第1步中的補償值進行修正；第3步，所有獲得值送入定位引擎，讀出由其計算得到的位置；最后一步，將補償值添加到計算得到的位置中，完成這些計算之后，盲節點在網格中的位置就確定了。

　　結語

　　CC2431作為一款集成有定位引擎的ZigBee射頻收發器，結合其他ZigBee節點構成的無線網絡，可以實現3～5 m的定位精度。ZigBee作為一種高性價比、低成本、低功耗、低復雜度的無線通信技術，以其來實現室內無線定位具有良好的應用前景。隨著人們生活水準的提高，人們對定位服務有著越來越高的需求，雖然目前已經有多種定位技術，但是在室內定位方面存在一定缺陷和不足。如果將這些定位技術和ZigBee定位技術結合起來，將會實現更加完美和精準的定位服務。