無線防盜系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

　　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;

　　p_r(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;

　　X_dBm-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

　　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)計算兩節(jié)點(diǎn)間的距離。定位估計算法需要3～8個參考節(jié)點(diǎn)，計算節(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。