ZigBee技術(shù)中基于RSSI測距的定位算法研究

摘要：采用CC2430／CC2431為核心芯片設(shè)計(jì)ZigBee節(jié)點(diǎn)，并采用此類節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個ZigBee定位網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)接收信號強(qiáng)度(RSSI)的模型，估計(jì)出盲節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的距離，并采用最小二乘法對估計(jì)的距離進(jìn)行修正。選擇3個接收信號強(qiáng)度最強(qiáng)的參考節(jié)點(diǎn)，根據(jù)修正的距離采用三邊測量法估計(jì)出盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明，修正后的定位精度高于修正前的定位精度。
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；節(jié)點(diǎn)定位；RSSI；最小二乘法

引言
ZigBee技術(shù)中定義了3種設(shè)備：協(xié)調(diào)器(Coordinator)，路由器(Router)和終端設(shè)備(End-Device)。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)啟動整個網(wǎng)絡(luò)；路由器的功能主要是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)及多跳路由等；終端設(shè)備一般沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任。ZigBee技術(shù)通過這3種設(shè)備可以構(gòu)成一個移動自組織的網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用在家庭、環(huán)境監(jiān)測、工農(nóng)業(yè)等場合。目前的定位技術(shù)總體上可以分為基于測距技術(shù)與無需測距技術(shù)。前者定位精度較高，后者實(shí)現(xiàn)起來比較簡單。在測距技術(shù)中，有基于接收信號強(qiáng)度(RSSI)、基于到達(dá)時(shí)間差(TOA)、基于不同波的到達(dá)時(shí)間差(TDOA)以及到達(dá)角度差(AOA)等。在這幾種測距技術(shù)中，基于RSSI的測距技術(shù)將接收到的信號強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)之間的距離，不需要額外的硬件和數(shù)據(jù)交換，有成本低、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合CC2430／CC2431芯片，設(shè)計(jì)了一種基于RSSI的測距定位算法。

1 RSSI測距的實(shí)現(xiàn)原理
基于RSSI的測距技術(shù)是利用無線電信號隨距離增大而有規(guī)律地衰減的原理來測量節(jié)點(diǎn)間的距離的。接收信號強(qiáng)度RSSI與傳輸距離d的關(guān)系如下所示：
RSSI=-(10×n×lgd+A) (1)
式中，n表示信號傳播常數(shù)，也叫傳播系數(shù)；d表示與發(fā)送者的距離；A表示距發(fā)送者1 m時(shí)的信號強(qiáng)度。測距精度的高低受到n與A實(shí)際取值大小的影響較大。A是一個經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可以通過測量距離發(fā)送者1 m處的RSSI值得到。n是用來描述信號強(qiáng)度隨距離增加而遞減的參量，n的大小依賴具體的環(huán)境。為了得到最優(yōu)的n值，可以先放置好所有的參考節(jié)點(diǎn)，然后嘗試用不同的n_index值找到最適合這個具體環(huán)境的n值。

2 節(jié)點(diǎn)組成的定位網(wǎng)絡(luò)
2．1 CC2430／CC2431芯片介紹
CC2430／CC2431是Chipcon公司(現(xiàn)被TI收購)推出的針對IEEE802．15．4／ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了工作在2．4 GHz的射頻收發(fā)器，擁有低功耗的8051 MCU內(nèi)核、128 KB可編程Flash ROM和8 KB RAM，還有A／D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器等。另外，CC2431片上系統(tǒng)由CC2430加上Motorola公司基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的無線定位引擎組成。其定位引擎支持3～16個參考節(jié)點(diǎn)的定位運(yùn)算，最高精度可達(dá)0．5 m；定位時(shí)間少于40μs，定位區(qū)域?yàn)?4m×64m，定位誤差為3～5m，與一般軟件定位相比，具有定位速度快、定位準(zhǔn)確度高、消耗CPU資源少的特點(diǎn)。
CC2430／CC2431主要外同電路圖如圖1所示。