【正文】 近，它是第一個接收到未知節(jié)點信號的。由坐標(biāo)關(guān)系可知，未知節(jié)點和第i 個錨節(jié)點之間的距離di可以表示成：di=(xXi)2+(yYi)2 （37）設(shè)di,1為未知節(jié)點與第i個錨節(jié)點和第一個錨節(jié)點的距離差，則：di,1=c*?i,1=did1=(xXi)2+(yYi)2(xX1)2+(yY1)2（38）式中，c 為電磁波在自由空間中的傳播速度，值為3108ms，?i,1為未知節(jié)點發(fā)送的信號到達(dá)第i 個錨節(jié)點與第一個錨節(jié)點的時間差，di為第i 個錨節(jié)點到未知節(jié)點之間的距離。這樣就可以得到N1個雙曲線方程組成的非線性方程組。一般來說，用傳統(tǒng)解方程組的辦法求解上面的非線性方程組是非常復(fù)雜的，可對它們進(jìn)行線性化處理。由式（37）可以得到：di2=(xXi)2+(yYi)2=Xi2+Yi22Xix2Yiy+x2+y2 (39)設(shè)Ki=Xi2+Yi2，則：di2=Ki2Xix2Yiy+x2+y2 (310)再對式(38)進(jìn)行重新整理可以得到：di=di,1+d1 (311)將等式(311)兩邊平方，再進(jìn)行整理可以得到：di2=di,12+2di,1d1+d12 (312)由式(310)可得：d12=K12X1x2Y1y+x2+y2 (313)把式(310)和式(313)帶入式(312)，整理可以得到：Xi,1x+Yi,1y+di,1d1=12(KiK1di,12) (314)其中，Xi,1=XiX1,Yi,1=YiY1。將 x, y,d1當(dāng)作未知數(shù)，則式（314）就表示成了一個線性方程。通過以上處理之后，可以利用解線性方程組得到未知節(jié)點的估計位置。由以上對基于TDOA 定位的分析可知，該定位算法不需要考慮節(jié)點之間時間原點的同步問題，那么該算法只需考慮節(jié)點之間的時鐘頻率偏移即可。也有的文獻(xiàn)中指出到達(dá)時間差的測量是通過測量兩種不同傳輸速度的信號到達(dá)同一地點的時間差異，將其轉(zhuǎn)化成兩個節(jié)點之間的距離，這不是本文所討論的概念。 基于AOA 的定位法AOA(Angle Of Arrive)即是到達(dá)角度。基于AOA 的定位法是當(dāng)節(jié)點接收到信號時，通過利用天線陣列判斷信號源的方位，繼而進(jìn)行定位。基于AOA 的定位法原理上就是三角定位法。三角定位法主要是利用天線測得未知節(jié)點和錨節(jié)點之間的角度關(guān)系，然后根據(jù)錨節(jié)點的位置確定出未知節(jié)點的位置。下面將介紹三角定位法，三角定位法的原理如圖36 所示。圖36三角定位法原理圖圖36 中，A、B、C 都表示位置已知的錨節(jié)點，D 表示的是未知節(jié)點。節(jié)點A，B，C 的坐標(biāo)分別為:(x1,y1)、( x2,y2)和(x3,y3)。假設(shè)未知節(jié)點的坐標(biāo)為(x, y)。未知節(jié)點D相對于錨節(jié)點A，B，C的角度分別為∠ADB，∠ADC，∠BDC，這三個角度可以通過天線測量出來。對于節(jié)點A，節(jié)點C和∠ADC來說，如果弧段AC在三角形ABC內(nèi)，那么能夠唯一確定一個圓，如圖中的圓O1，假設(shè)圓心O1的坐標(biāo)為(xO1,yO1)，半徑為R1。而∠AO1C=2π2∠ADC。那么可以得到以下方程組：(xO1x1)2+(yO1y1)2=R2(xO1x3)2+(yO1y3)2=R2(x1x3)2+(y1y3)2=2R22R2cos∠AO1C (315)可以通過解(315)的方程組可以得到圓心O1的坐標(biāo)和半徑。同理可以分別得到圓O2和圓O3的坐標(biāo)和它們的半徑。最后通過利用圓心O1，O2，O3和三邊定位法原理可以確定未知節(jié)點D 的坐標(biāo)。4 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計任何無線定位功能的實現(xiàn)都是基于某種無線通信網(wǎng)絡(luò)的，以ZigBee技術(shù)為載體的定宜同樣也是基于一個網(wǎng)絡(luò)的。本文實現(xiàn)的系統(tǒng)就是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，針對樓道及辦公室環(huán)境的定位跟蹤應(yīng)用，通過定位跟蹤室內(nèi)人員、物品(貴重設(shè)備、醫(yī)療器械等)來進(jìn)行實時監(jiān)測和管理。對定位環(huán)境模型進(jìn)行適當(dāng)修改后，也可應(yīng)用于礦井巷道等其它環(huán)境中。 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。無線傳感器定位網(wǎng)絡(luò)中存在3種功能類型的節(jié)點，分別為協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點和盲節(jié)點。協(xié)調(diào)器有協(xié)調(diào)器來充當(dāng)，它在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，首先它要響應(yīng)上位機發(fā)出的命令，開啟網(wǎng)絡(luò)，等待其它類型節(jié)點入網(wǎng)，其次還要接收各節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)并傳送給上位機軟件處理。除完成自身特有功能外，協(xié)調(diào)器也可作為參考節(jié)點使用。參考節(jié)點是一類靜止的、已知自身位置坐標(biāo)信息的節(jié)點，它的任務(wù)是接收包含定位相關(guān)參量如RSSI和LQI值的數(shù)據(jù)包，并計算RSSI等參量的平均值，最終在盲節(jié)點打包各參量平均值后，將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器，傳回上位機監(jiān)測軟件處理。部分參考節(jié)點除完成參考節(jié)點相關(guān)功能外，它還具有鏈路路由功能。盲節(jié)點也稱之為待定位節(jié)點，它是一類可移動的節(jié)點，可在參考節(jié)點包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動，定位的目的就是要獲得該類節(jié)點的位置坐標(biāo)信息。圖41 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一個完整的集中處理式無線傳感器定位系統(tǒng)包括三個部分：硬件節(jié)點、定位節(jié)點軟件和上位機監(jiān)測軟件。每一部分設(shè)計都有其特殊性，硬件設(shè)計過程為系統(tǒng)提供了定位所需的硬件平臺，定位節(jié)點軟件設(shè)計主要完成節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)組建和數(shù)據(jù)傳輸，上位機軟件通過有線方式(使用串口、USB等接口)接收定位相關(guān)網(wǎng)絡(luò)采集信息，利用某種定位算法完成定位過程，并動態(tài)顯示移動節(jié)點定位效果。 定位系統(tǒng)硬件設(shè)計定位節(jié)點硬件設(shè)計框架如圖42所示。硬件電路設(shè)計包括兩部分：無線通信模塊設(shè)計和輔助功能模塊設(shè)計。無線通信模塊為節(jié)點間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)接口，它是節(jié)點核心部分。輔助功能模塊完成定位狀態(tài)指示、供電、串口通信等輔助功能，它通過RS232串口轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)PC機與協(xié)調(diào)器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸。為了降低開發(fā)成本，硬件平臺沒有按節(jié)點功能分別單獨設(shè)計，而是將所有功能放在了一個平臺上。根據(jù)節(jié)點實際功能要求，只需連接所需器件即可。圖42節(jié)點硬件設(shè)計框圖CC2530芯片12lJ為Chipcon公司生產(chǎn)的2．4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片。它沿用了以往CC2430芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU(8051)，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AESl28協(xié)同處理器、看門狗定時器(Watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳。 CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2530的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。CC2530的主要性能參數(shù)如下：(1)工作頻帶范圍：～；(2)采用IEEE ；(3)數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps，碼片速率達(dá)2MChip/s；(4)采用OQPSK調(diào)制方式；(5)超低電流消耗(RX18:8mA，TX:)，高接收靈敏度(95dBm)；(6)抗鄰頻道干擾能力強(30/45dB)；(7)內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電(2．1～3．6V)；(8)輸出功率編程可控；(9)IEEE MAC層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16bit CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層安全保護(hù)(CTR、CBCMAC、CCM)；(10)與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口)；(11)開發(fā)工具齊全，提供有開發(fā)套件和演示套件；(12)采用QLP48封裝，外形尺寸只有77mm。 CC2530射頻模塊設(shè)計無線通信模塊包括CC2530芯片及其相關(guān)外圍電路。由于CC2530將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到了一個芯片當(dāng)中，從而簡化了電路設(shè)計過程，省去了單片機和無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計，縮短了硬件開發(fā)周期。對射頻電路來說，解決好器件間干擾問題是至關(guān)重要的。建議無線通信模塊采用PCB雙層板，頂層用于信號線布線，底層用于電源和地布線，在無布線的開放區(qū)域采用少量過孔相連到地。另外，務(wù)必使CC2530芯片底部可靠接地。外圍器件尺寸盡量小，可使用0402規(guī)格組容器件。如果使用PCB天線，為了減少板材對PCB天線的影響，使天線獲得最佳性能，可以采用RF4板材，厚度為lmm。輔助功能模塊PCB制作無特殊要求。輔助功能模塊包括供電電路、串口電路、功能指示電路等。實際中的各種節(jié)點根據(jù)功能要求，分別選取所需部分電路焊接器件，即可完成各自功能。(1)供電電路設(shè)計根據(jù)ZigBee多種節(jié)點用電特點，供電電路設(shè)計了兩種方式，電池供電和直流(DC)電源模塊供電，使用單刀雙擲開關(guān)實現(xiàn)兩種供電方式間的切換。其中，直流(DC)電源模塊為5V供電，該芯片能夠提供高達(dá)500mA的電流輸出，電路簡單。電池供電方式采用2節(jié)AA電池供電。供電電路如圖43所示。圖43供電電路圖44串口轉(zhuǎn)換電路(2) 串口轉(zhuǎn)換電路串口轉(zhuǎn)換電路采用美信公司的MAX3232雙通道轉(zhuǎn)換芯片，工作電壓范圍為3V～，該電路主要用于協(xié)調(diào)器與PC之間的串口電壓轉(zhuǎn)換。串口轉(zhuǎn)換電路如圖44所示。(3)狀態(tài)指示電路指示燈等器件用于定位節(jié)點狀態(tài)指示。狀態(tài)指示電路如圖45所示。圖45狀態(tài)指示電路 定位節(jié)點軟件設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的基本思想是盲節(jié)點將周圍所有的一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點的信號強度(RSSI)返回到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器將信號強度值傳送到上位機監(jiān)測軟件，上位機軟件調(diào)用相應(yīng)的定位算法，計算出盲節(jié)點的坐標(biāo)位置并實現(xiàn)必要的顯示。因此，首先需要在硬件平臺上實現(xiàn)節(jié)點間的通信，可分為如下五步進(jìn)行(數(shù)據(jù)量類型有定位算法抉定，這里以RSSI為例)。圖46為傳感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程圖。(1)主節(jié)點查詢未知節(jié)點。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(協(xié)調(diào)器)成功建立網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器節(jié)點要查詢盲節(jié)點的位置信息，首先要給該節(jié)點發(fā)送定位請求信號，通信方式為廣播方式．保證所有的盲節(jié)點都可收到該杏詢請求。(2)盲節(jié)點廣播RSSI值信號。盲節(jié)點接收到查詢請求命令后，廣播一系列(如300次)RSSI值，在數(shù)據(jù)包中設(shè)定跳數(shù)為1，從而保證只有在一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點才能接收到該數(shù)據(jù)包。(3)參考節(jié)點預(yù)處理RSSI值。一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點接收到RSSI Blast信號，記錄該盲節(jié)點的RSSI值，由于墻壁、行人等多種環(huán)境干擾源的存在，RSSI會出現(xiàn)一定幅度的擾動，因此各參考節(jié)點可對接收到的RSSI進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理(如使用高斯概率模型處理)，對預(yù)處理后的RSSI值作平均。(4)盲節(jié)點發(fā)送RSSI的數(shù)據(jù)包請求信號。接收到數(shù)據(jù)包請求命令信號后，參考節(jié)點將各種所需參量按一定格式打包，發(fā)送到盲節(jié)點。圖46傳感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程圖(5)盲節(jié)點將數(shù)據(jù)包發(fā)送到協(xié)調(diào)器。盲節(jié)點按照一定規(guī)則(例如，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包按照RSSI大小排序，從中選擇最大的三個，這樣保證盲節(jié)點的周圍存在三個最強參考節(jié)點。)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點?？紤]到協(xié)調(diào)器除了組網(wǎng)和串口通信功能外，它可以作為參考節(jié)點使用，故只需要編寫兩種節(jié)點程序即可。協(xié)調(diào)器節(jié)點特有的功能用虛線標(biāo)出。其余部分為參考節(jié)點功能程序。下面簡要介紹一下各類節(jié)點工作流程圖。圖47為協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程圖，圖48為參考節(jié)點工作流程圖，圖49為盲節(jié)點工作流程圖。這三個流程圖都是基于命令調(diào)用模式的。圖47 協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程圖圖48 參考節(jié)點工作流程圖圖49 盲節(jié)點的定位流程圖因為盲節(jié)點和參考節(jié)點要完成的功能不同，所以需要編寫兩種不同的程序。盲節(jié)點對應(yīng)的程序為Blind．C和Blind．h，而參考節(jié)點對應(yīng)的程序是Reference．。除了應(yīng)用層的這兩種文件不同外，在其它各層兩種節(jié)點的程序可以是一樣的。為簡單起見，共用其它層文件。具體而言。定義兩種宏如下：define LOCATl0N_REFNODEdefine LOCATION_BLINONODE根據(jù)節(jié)點功能差別,選擇一個，屏蔽掉另一個。其中LOCAYION_REFNODE對應(yīng)參考節(jié)點，LOCATION_BLINDNODE對應(yīng)盲節(jié)點。使用如下定義，加載節(jié)點對應(yīng)的應(yīng)用層文件。if defined(LOCATION_REFNODE)include“”endifif defined(LOCATION_BLINDNODE)include“”endif把不同的頭文件包含在工程里，就可以加載不同的文件，完成不同的功能，實現(xiàn)小同節(jié)點間的程序切換。無線傳感器定位系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件中，與定位相關(guān)功能主要包括兩大類：定位工程管理和定位信息處理。定位工程管理完成加載定位區(qū)域示意圖和配置參考節(jié)點坐標(biāo)信息功能。定位信息處理完成數(shù)據(jù)讀取并解析、數(shù)據(jù)處理等功能。具體來說，定位工程管理需要包括如下3方面：(1)加載定位區(qū)域平面圖。用戶為特定定位場景自行選擇bmp、jpg、gif等格式的定位區(qū)域示意圖，將示意圖加載到上位機顯示窗口處。(2)配置參考節(jié)點信息。將接收到的網(wǎng)絡(luò)參考節(jié)點地址顯示出來。用戶手工配置參考節(jié)點坐標(biāo)信息，在定位區(qū)域示意圖中標(biāo)示出參考節(jié)點位置。(3)保存和修改工程。可隨時保存和修改工程狀態(tài)信息，以便下一次使用時，用戶可以調(diào)用已有信息，提高工作效率。定位信息處理包括2個方面：(1)提供PC和協(xié)調(diào)器節(jié)點間接口。PC通過使用串口與協(xié)調(diào)器(協(xié)調(diào)器)進(jìn)行通信，PC機向下發(fā)送命令信息，協(xié)調(diào)器節(jié)點向上傳輸網(wǎng)絡(luò)定位相關(guān)信息。(2)區(qū)域定位。解析串口回讀的數(shù)據(jù)包，依據(jù)數(shù)據(jù)包信息，調(diào)用相應(yīng)定位算法程序，獲取移動節(jié)點坐標(biāo)信息，并顯示和保存定位結(jié)果。上位機功能實現(xiàn)流程圖如圖410所示。其中，系統(tǒng)初始化工作包括：定位區(qū)域示意圖加載、區(qū)域尺寸參數(shù)歧置、參考節(jié)點位置設(shè)置和串口相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及串口打開等功