基于ZigBee的集中式无线定位系统设计

韦 佳，刘焕强，顾晓峰，何 磊

(1.江南大学电子工程系轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏无锡214122;2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏苏州215123)

0 引言

ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗的无线通信技术，其名称来源于蜜蜂用以传递信息的Z字型舞蹈。ZigBee技术的协议栈分层结构中，MAC层和PHY层采用IEEE 802.15.4协议标准，上层协议则由ZigBee联盟定义并进行了标准化。本文提出的集中式无线定位系统采用德州仪器(Texas Instruments)公司开发的Z-Stack(2006)协议栈，以支持ZigBee协议栈的CC2430芯片为核心搭建无线网络。该网络工作在ISM(Industrial Scientific and Medical)免执照的2.4 GHz频段上，传输速率为250 Kb/s，并划分为16个信道［1］。基于ZigBee技术组建的无线网络具有结构简单、组网灵活、功耗低等优点［2-3］，在当前众多的物联网技术应用中具有极其重要的地位。

国内外对基于ZigBee的无线定位系统研究大多集中在优化定位算法、提高定位精度上面［4-8］，鲜有针对复杂环境和特殊地域ZigBee无线定位系统的研究。传统ZigBee定位系统当地域跨度大、节点布局环境复杂时，需要大量中继节点来保证网内信息通畅［9］。针对传统ZigBee定位系统存在的不足，提出的基于ZigBee的集中式无线定位系统将整个无线网络分割成多个子网，子网关通过传输控制协议/互联网络协议 (TCP/IP)协议实现子网间通信，可显著减少中继节点个数，有效解决ZigBee无线网络覆盖限制问题，提高定位系统的工作效率。

1 无线定位系统设计思想和框架

本无线定位系统主要由网关节点、参考节点、增强型参考节点、移动终端节点和PC服务器组成。网关节点仅用于无线网络的创建和维护，在网络进入正常运行状态后可关闭;参考节点接收移动终端节点信号并进行上报和路由信号;增强型参考节点 (子网关)既具有普通参考节点的接收功能，又能汇集来自其它参考节点的信息，并通过串口上报至PC服务器;移动终端节点周期广播信号给附近参考节点;PC服务器汇总来自所有子网关的信息进行集中处理，实现定位、报警等功能。

系统的主要设计目标如下:在由大量参考节点和增强型参考节点组成的无线网络中，实现对移动终端节点的位置追踪，同时随时接收移动终端节点主动发送的报警信号，作出相应动作响应。由于ZigBee协议传输距离短，若地域跨度大、环境复杂，在常规ZigBee布网设计中需用大量中继节点来保证网内信息通畅。针对此问题，提出了一种Mesh结构的自组织方法，将一个无线传感网络根据布网需求分割为多个相对独立的子网，再使用TCP/IP通信协议实现子网之间的相互通信。系统的结构框架如图1所示。

图1 集中式无线定位系统结构框架

2 节点的硬件设计

2.1 移动终端节点与参考节点的硬件设计

根据实际系统应用需求，移动终端节点供能采用4.2 V、容量为1700 mAh的可充电电池，参考节点则采用固定外接电源。除此之外，移动终端节点与参考节点的硬件设计相同，都采用CC2430芯片作为核心通信模块，在PCB电路板上提供电源模块、外部晶振电路、JTAG接口、UART串口、按键和复位电路等［10］，如图2所示。

CC2430芯片是一款支持ZigBee协议栈的片上系统(SOC)解决方案，结合了高性能2.4 GHz直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心和增强型工业标准的8位8051微控制器内核，支持ZigBee、IEEE 802.15.4协议。CC2430芯片提供一个JTAG调试接口和两个UART串口，JTAG调试接口允许用户对片上Flash进行编程，提供对存储器和寄存器内容的访问等调试功能。本系统节点选用UART1串口，考虑到某些应用场合产生的数据量较大，串口采用DMA(Direct Memory Access)方式传输数据，波特率设定为115，200 Bps;天线则采用兼容IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz频段倒F型微带PCB天线。按键Key的作用是，按下时拉低CC2430芯片的P0.1引脚上的电平，下降沿触发按键事件。

图2 移动终端节点与参考节点的硬件结构

2.2 子网关节点的硬件设计

子网关节点硬件由普通参考节点的UART串口连接至一个RS232-TCP/IP转换模块组成，本系统采用CONEXTOP公司的NePort-L模块。NePort-L模块是一款高度集成，高性能的嵌入式设备联网服务器产品，能直接实现串口通过有线方式联网，确保在可选最高波特率下双向全速不间断传送数据不丢包。子网关节点的硬件结构如图3所示。

图3 子网关节点的硬件结构

3 子网关节点联网技术

3.1 虚拟专用网络技术

虚拟专用网络 (VPN)是一种利用公共网络链路架设私有网络的技术［11-12］。它通过建立一条专门的隧道，实现城域网中特定一部分用户形成一个虚拟的局域网，而不需要这些用户有直接的端到端的物理链路。这个虚拟局域网内的用户可以相互传输数据和广播消息，同时与其他用户相互隔绝，保证了信息传输的私有性和安全性。

3.2 联网实现步骤

联网实现步骤描述如下:

(1)分配一段私网IP地址以分配各每个子网关节点试用，例如192.168.0.0/24;

(2)为PC服务器和每个子网关节点从192.168.0.0/24中选取一组 IP地址 (每组 4个 IP)，例如选取192.168.0.0/30，其 中 网 络 号 (192.168.0.0)，网 关(192.168.0.1)和广播地址 (192.168.0.3)须保留，可使用的IP地址为192.168.0.2，子网掩码255.255.255.252。将分配到的IP地址配在NePort-L模块中，通过ADSL或EPON方式接入城域网接入层设备;

(3)向城域网网络运营商申请VPN业务，即在运营商边缘路由器上建立VPN实体，定义路由区分符和路由目标，将所有子网关节点加入VPN实体，确保每个子网关节点都能ping通PC服务器。

PC服务器与所有的子网关节点利用VPN技术，通过城域网实现互联互通，可实现相距很远的子网之间的数据通信，而不需要布置大量的中继节点。它是ZigBee网络在空间上的极大延伸，弥补了ZigBee技术传输距离短的不足。从成本上来看，子网关节点接入城域网会带来额外的费用，但是当各个子网相距很远时，布置中继节点几乎是不可能实现的;而且布置大量的中继节点也会带来很高的传输延时。因此，将传统的TCP/IP通信技术与ZigBee技术融合，才能实现集中式的大地域跨度范围内的无线传感网定位系统。

4 节点的软件设计

4.1 移动终端节点的软件设计

移动终端节点在初始化并成功加入网络后［13］，即开始以单跳广播形式循环 (1次/s)上报该节点8个字节 (64 Bits)的MAC地址和1个字节的标志位，消息ID为BLINDNODE_BLAST。MAC地址用来确定节点身份，标志位用来在PC服务器端对数据进行筛选处理。当检测到按键事件后，立即广播发送一条ALARM_REQUEST消息到所有参考节点，该消息包含该节点的MAC地址。对应的程序流程如图4所示。若在终端节点硬件上添加各类传感器 (如温度、湿度传感器)［14-15］，则需在软件中添加相应程序。

图4 移动终端节点软件流程

4.2 参考节点的软件设计

参考节点作为网络的支架，主要起路由和数据转发作用。初始化后，参考节点广播请求附近的子网关地址，将接收到第一个回复的子网关作为转发数据的目的节点。当接收到来自移动终端节点的BLINDNODE_BLAST消息时，参考节点将侦测到的信号强度与信号内容合并成RSSI_REPORT消息一起上报到指定子网关。当接收到ALARM_REQUEST报警信息时，参考节点将直接将信息转发至子网关上报PC服务器。参考节点的应用程序流程如图5所示。

图5 参考节点软件流程

4.3 子网关节点的软件设计

子网关是其所在子网内的核心设备，负责组织子网和收集子网信息，并通过TCP/IP连接实现多个子网间的信息交换。图6给出了在完成初始化后子网关节点的应用程序流程图。

4.4 PC服务器端的软件设计

PC服务器通过TCP/IP连接从各子网关获取移动终端节点的信息，包括参考节点接收到的终端节点信号强度(RSSI_REPORT)和来自终端节点的按键报警信息(ALARM_REQUEST)，对应的消息帧结构如图7所示。

PC服务器端软件从接收到的所有RSSI_REPORT消息中，对具有相同移动终端节点MAC地址和标志位的消息进行比较，选出其中RSSI值 (即参考节点测得移动终端节点广播消息的信号强度)最大的消息，从而获得转发该消息的参考节点地址，即可判断该移动终端节点是否位于此参考节点附近。

5 结束语

详细阐述了一种基于ZigBee的集中式无线定位系统的软硬件设计。该系统采用多个分立子网关的形式，用TCP/IP连接作为无线连接的补充，允许网络覆盖区域内存在盲区;在子网之间也无需加入中继节点，而是通过现有Internet网络实现全网内通信，由此使整个系统的作用范围几乎不受地理环境的限制，能覆盖无线信号死角，并有选择性地对某些特定区域范围进行监控 (如特定楼层及特定建筑内的安全监控和物品跟踪)。若在参考节点上装备合适的传感器模块，即可实现相应的数据信息实时采集和监控功能。例如，在多个蔬菜大棚分别布置带有温湿度传感器的参考节点，即能通过Internet网络同时进行温湿度的远程数据采集和监控。

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