Anroid和Zigbee技術(shù)的小車室內(nèi)定位系統(tǒng)

廖明華

（華南師范大學(xué)增城學(xué)院，廣東 廣州 511363）

ZigBee無線通訊技術(shù)以其易布建、低成本、低功耗的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)，日常生活場(chǎng)所得到廣泛應(yīng)用，Android手機(jī)憑借開放性、豐富的硬件選擇，迅速成為最流行的主流手機(jī)平臺(tái)之一。PDA設(shè)備與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合可以將工作、生活的空間濃縮于雙手可以掌控的距離內(nèi)，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)分析

小車定位系統(tǒng)分為兩個(gè)功能模塊，如圖1。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2 Zigbee定位實(shí)現(xiàn)

2.1 CC2430/CC2431芯片

CC2430/CC2431是德州儀器（TI）推出的全新概念新一代ZigBee無線單片機(jī)系列芯片,是真正符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上SOC ZigBee產(chǎn)品。CC2431帶硬件定位引擎,其定位引擎基于RSSI（Received Signal Strength Indicator）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。相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能降低了網(wǎng)絡(luò)流量與通信延遲，在典型應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)3到5米定位精度和0.25米的分辨率[1]。

2.2 定位原理

如圖2所示，首先在定位環(huán)境安置4個(gè)由CC2430構(gòu)成的參考節(jié)點(diǎn)，這4個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道并能在其它節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求時(shí)返回它自己的位置。參考節(jié)點(diǎn)不需要定位引擎的硬件應(yīng)用，也不需要負(fù)責(zé)任何計(jì)算。還要配備一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)（也就是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)），同樣由CC2430構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)與PC機(jī)通過串口相連。隨后，在小車上安置由CC2431構(gòu)成的“盲節(jié)點(diǎn)”，它將收集所有參考節(jié)點(diǎn)對(duì)它的請(qǐng)求返回的信息，讀出相關(guān)的RSSI值，將收集到的數(shù)值傳輸給硬件定位引擎，定位引擎計(jì)算得出位置信息，最后將位置信息傳送給與網(wǎng)關(guān)相連的上位機(jī)程序，在上位機(jī)程序地圖上顯示出小車節(jié)點(diǎn)的所在位置。

從參考節(jié)點(diǎn)傳輸給盲節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包要包括相關(guān)節(jié)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)，RSSI由盲節(jié)點(diǎn)定位引擎進(jìn)行計(jì)算。

2.3 定位算法

2.3.1 位置計(jì)算流程

CC2431接收到一個(gè)信息包時(shí)，將它將自動(dòng)添加一個(gè)RSSI值在信息包中。CC2431是通過硬件計(jì)算定位坐標(biāo),在計(jì)算之前需要系統(tǒng)提供3個(gè)到8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值和RSSI值,并需要通過設(shè)置輸入?yún)⒖嫉腁值和N值。計(jì)算流程如圖3。

圖3 計(jì)算流程圖

A：是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，表示距離發(fā)送者1米處的RSSI值。

N：信號(hào)傳播系數(shù)，用來描述信號(hào)強(qiáng)度隨距離增加而遞減的參量。N的值依賴具體的環(huán)境，比如一堵厚墻會(huì)很大的影響其取值，通常靠經(jīng)驗(yàn)來判斷。

2.3.2 三邊測(cè)量法

本設(shè)計(jì)使用的定位算法是三邊測(cè)量法，如圖4，已知A、B、C，3個(gè)節(jié)點(diǎn)的左邊分別為（xA，yA）、（xB，yB）、（xC，yC）。 假設(shè)用戶節(jié)點(diǎn) O 的坐標(biāo)為（x，y），根據(jù)下面的點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離公式[2]：

利用以上的等式通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)就可以的到x和y的值。

圖4 三邊測(cè)量法

2.4 上位機(jī)地圖

上位機(jī)軟件用C#語言開發(fā)，圖5小車定位效果圖。

圖5 小車定位效果圖

3 Anroid控制小車

Android手機(jī)客戶端通過狼牙技術(shù)控制小車前后左右運(yùn)動(dòng)，圖6為硬件組成框圖。

圖6 硬件組成框圖

4 結(jié)論

一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，使用盡可能多的節(jié)點(diǎn)。至少要使用三個(gè)，如果節(jié)點(diǎn)太少，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的參考效應(yīng)高，一個(gè)不正確的RSSI值就會(huì)很大程度影響位置的計(jì)算。如果盲節(jié)點(diǎn)放置在參考節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)之外的位置上，那么得到的計(jì)算結(jié)果將會(huì)極大的偏離實(shí)際位置，所以不建議跟蹤網(wǎng)格之外的對(duì)象。

［1］宋保業(yè).CC2431的無線定位引擎及其應(yīng)用改進(jìn)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(02):22-24.

［2］倪瑛，戴娟.Zigbee定位技術(shù)的研究[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013(02):49-52.