引言

　　現(xiàn)如今，隨身物品頻頻丟失，造成財(cái)產(chǎn)損失，對人們?nèi)粘Ｉ钤斐蓢?yán)重的影響。當(dāng)物品超出相對安全的范圍時，若使用者及時得到提醒，就會避免不必要的損失。因此，對物品是否在安全范圍的監(jiān)測，即防盜監(jiān)測系統(tǒng)的研究具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。

　　有線方式通訊可靠、抗干擾能力強(qiáng)、器件成本低，適用于新建且可以在墻壁內(nèi)預(yù)留連接線的建筑物，但是其具有機(jī)動性差、不便適應(yīng)用戶及產(chǎn)品的多變要求，對預(yù)留連接線的維護(hù)及更換難度高、費(fèi)用大的缺點(diǎn)。無線方式可避免探頭與主機(jī)之間的連接線，降低了現(xiàn)場施工、維護(hù)成本。它具有靈活、施工簡易、布線成本低等優(yōu)點(diǎn)。

　　以短程無線通信為基礎(chǔ)，通過實(shí)時監(jiān)控各無線模塊來判斷物品是否處于相對安全范圍內(nèi)，若物品超出范圍時，則接收終端發(fā)出震動警報(bào)，提醒擁有者了解該物品目前處于“危險(xiǎn)”狀態(tài)。

　　隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了紅外、藍(lán)牙、射頻識別、ZigBee等相關(guān)技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、高通信率等優(yōu)點(diǎn)[1]，使得 ZigBee技術(shù)成為當(dāng)今無線通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

　　本文結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、開發(fā)了一套無線定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用無線傳輸和IEEE802.15.4短程無線通信協(xié)議，整個系統(tǒng)采用模塊化，設(shè)計(jì)成本較低，可實(shí)現(xiàn)一對一或者一對多個節(jié)點(diǎn)的無線設(shè)備的通信與定位。無線定位系統(tǒng)對于提高物品的安全監(jiān)測起到了重要的作用。

　　1 無線防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的無線防盜系統(tǒng)包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(即報(bào)警主機(jī))與PC三個部分組成，如圖1所示。終端節(jié)點(diǎn)由無線發(fā)射器CC2530模塊、3.7V鋰電源組成。報(bào)警主機(jī)由無線收發(fā)CC2530模塊、數(shù)據(jù)處理模塊組成。

　　如圖1所示，首先，總機(jī)向終端發(fā)送請求定位信息，然后，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)射自身的RSSI值，最后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)接收的RSSI值計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的距離。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過串口將終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)ID號，RSSI值和定位距離顯示在PC機(jī)上。

　　1.1 ZigBee定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　ZigBee是基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的[2]。本系統(tǒng)采用ZigBee樹形結(jié)構(gòu)，利用ZigBee的定位系統(tǒng)包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)[3]，如圖2所示。

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)即無線定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由CC2530模塊和HFZ-SmartRF07EB組成，通過串行口RS232與PC相連。首先它接收監(jiān)控軟件提供的各個參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn);其次，接收各個節(jié)點(diǎn)反饋的有效數(shù)據(jù)，并將其傳輸給監(jiān)管軟件。

　　參考節(jié)點(diǎn)是無線定位系統(tǒng)中已知坐標(biāo)的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器，由3.7V鋰電池與CC2530模塊組成。

　　定位節(jié)點(diǎn)是無線定位系統(tǒng)中的移動節(jié)點(diǎn)，由CC2530與電源模塊組成，它是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器。通過處理參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息包來計(jì)算自身的RSSI值。

　　1.1.1 RSSI測距原理

　　文獻(xiàn)[4]提出RSSI和無線信號傳輸距離之間有確定的關(guān)系。RSSI定位技術(shù)是根據(jù)信號強(qiáng)度在傳輸過程中的衰減程度來估算節(jié)點(diǎn)間的距離[5]。普遍采用的理論模型是Shadowing模型[6]，由式(1)給出：

　　(1)

　　式(1)中：d-接收端與發(fā)射端之間的距離(m);

　　d0-參考距離，一般取1m;

　　pr(d0)-參考距離d0點(diǎn)對應(yīng)的接收信號功率(dBm);

　　n-路徑衰減指數(shù)，與環(huán)境有關(guān)的值，一般取2～4;

　　XdBm-平均值為0的高斯隨機(jī)變量，反應(yīng)當(dāng)距離一定時，接收信號功率的變化;

　　在本系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用簡化的Shadowing模型，由式(1)可得出RSSI測距公式(2)：

　　式(2)中A為信號傳輸1m遠(yuǎn)時接收信號的功率(單位dBm)，d0=1m接收端與發(fā)送端之間的距離(單位m)。通過公式(2)算出發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離d。

　　RSSI測距具有重復(fù)性和互換性，在應(yīng)用環(huán)境下，RSSI的變化有規(guī)律可循。這在無線測距調(diào)試過程中起到了關(guān)鍵的作用。

　　1.1.2 統(tǒng)計(jì)均值模型

　　利用RSSI測距時，有三種處理RSSI數(shù)據(jù)的校正模型，分別為：統(tǒng)計(jì)均值模型、基于固定節(jié)點(diǎn)間距離的校正模型和高斯模型。

　　統(tǒng)計(jì)均值模型是指未知節(jié)點(diǎn)采集一組RSSI值，然后求出這些數(shù)據(jù)的均值，由式(3)給出：

　　可以通過調(diào)整m值來平衡精確性和實(shí)時性。m很大時，可有效地解決定位數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，但提高了通信成本。

　　1.2 硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)選擇ZigBee作為無線通信平臺，利用TI公司的CC2530無線收發(fā)芯片完成固定節(jié)點(diǎn)與移動節(jié)點(diǎn)的無線通信及RSSI的收集。CC2530芯片內(nèi)部集成了2.4GHz的ZigBee射頻前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、低功耗的8051內(nèi)核MCU，集成IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)MAC收發(fā)器[7]。

　　接收主機(jī)為固定節(jié)點(diǎn)。物品上事先安裝的為移動節(jié)點(diǎn)，移動節(jié)點(diǎn)的尺寸為5.8cm×5.8cm。固定節(jié)點(diǎn)從CC2530接收的MAC層讀出芯片寄存器RSSI—VAL的值。通過收集移動節(jié)點(diǎn)RSSI值，設(shè)定輸入?yún)?shù)A(通常取-35dBm)與n(通常取3.5)，通過公式(1)(2)計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)間的距離。定位估計(jì)算法需要3～8個參考節(jié)點(diǎn)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置耗時少于40ms。在無障礙環(huán)境下，測距范圍為100m，定位偏差低于2.5m，從而完成定位測距功能。

　　1.3 軟件設(shè)計(jì)

　　固定節(jié)點(diǎn)(接收主機(jī))的位置信息由程序先寫入CC2530模塊，主機(jī)向移動節(jié)點(diǎn)(丟失物品)發(fā)送請求定位信息，移動節(jié)點(diǎn)收到定位請求后向主機(jī)回復(fù)一條消息，該消息中包含了計(jì)算距離所需的數(shù)據(jù)。基于ZigBee的CC2530定位系統(tǒng)的流程。

　　為了提高定位精度，對接收的定位信息包的數(shù)量規(guī)定至少3個。RSSI值是通過讀取max_rx.c文件中的數(shù)組rxBuf的第1位，代碼如下：RSSI=rxBuf[0]。

　　此時的信號強(qiáng)度值是補(bǔ)碼形式，因此在讀取之前需要對其進(jìn)行補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換，即temp=~(rspMsg[LOCATION_XY_RSSI_IDX]-1)，最后向串口送出定位結(jié)果。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的無線防盜系統(tǒng)，通過串行口助手調(diào)試結(jié)果包括My name即被分配的網(wǎng)絡(luò)ID號(調(diào)試ID號每次都不一樣)、RSSI值與race距離。如圖4所示為本系統(tǒng)的定位測距結(jié)果75m。

　　上位機(jī)定位距離顯示界面如圖5所示，短地址為移動節(jié)點(diǎn)請求加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后分配的ID號，通過接收的RSSI值計(jì)算得出定位距離。

　　實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，具有低功耗、低成本、高速率等特點(diǎn)。

　　在后續(xù)的工作中，可以改進(jìn)RSSI的校正模型來提高定位精度和抗干擾能力。