基于ZigBee的定位跟踪系统的设计

李　聪，　滕皆敏，　吴　尊，　李宇杰，　龙　浩

（徐州工业职业技术学院，江苏　徐州　221000）

基于ZigBee的定位跟踪系统的设计

李聪，滕皆敏，吴尊，李宇杰，龙浩

（徐州工业职业技术学院，江苏徐州221000）

针对目前大部分基于ZigBee无线传感网络的定位跟踪系统都是处于实验和仿真阶段，很多应用的系统也存在能量消耗问题，论文研究和开发了基于ARM9+CC2431、PICDEM Z节点、标准C/S软件结构的一个四层结构的目标定位跟踪系统，给出系统的体系结构；然后给出了ZigBee网关（基站）和基于C/S结构远程监测软件的设计思路和具体的软硬件实现。该系统设计思路和技术实现新颖，定位跟踪效果好，具有较强的实用性。

无线传感网络；定位；跟踪；网关；远程监测

无线传感器网络被广泛应用于环境探测、天气预报、安全、监控以及分布式计算和目标区域成像等领域，在军事、医疗和民用等方面的应用具有深远意义。在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器监测信息中所包含的重要信息，没有位置的监测消息往往是毫无意义的。因此，确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，对传感器网络应用的有效性起着关键作用。

ZigBee技术是一种新兴的近距离、低功耗、低成本、低数据率、低复杂度的双向无线通信技术，它是基于IEEE802.15.4标准开发的无线协议。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。

设计采用了TI公司开发的CC2431芯片来实现ZigBee通信及追踪定位功能。CC2431射频部分与TI（CHIPCON）早期产品CC2420的功能基本相同，但增加了由Motorola公司授权的基于RSSI技术的定位引擎。其定位精度少于3m，定位时间小于40μs，远远高于GPS的定位精度，可以对诸多领域实现较精准的定位。

一、定位跟踪系统体系结构

定位跟踪系统采用“ZigBee传感器网络-ZigBee网关（基站）-服务器-客户端”四层结构，同时保证了较好的扩展性。各层具体介绍如下：

（1）ZigBee传感器监测网络

ZigBee传感器网络由信标和移动的目标节点组成，均采用Microchip的PICDEM Z节点；

（2）ZigBee网关（基站）

ZigBee网关 （基站）需要完成ZigBee协议和Internet协议转换的网关功能，同时还要具有较强的数据处理能力（基站功能），考虑为以后的高复杂性滤波算法的硬件实现做铺垫，因此本文选择高性能的ARM9处理器来完成设计；

（3）服务器与数据库

服务器端的数据库管理程序运行在Windows Server 2003上，负责从ZigBee网关（基站）接收数据并处理、存储、提供历史数据查询和管理等功能；

（4）客户端用户界面

客户端界面负责与用户的交互，包括跟踪轨迹的绘制和实时显示，用户命令的接收等。

图1　基于ZigBee的目标跟踪系统体系结构

二、嵌入式ZigBee网关（基站）设计

下面给出嵌入式ZigBee网关 （基站）的具体实现，包括设计思路、硬件设计、系统软件和“ZigBee-Ethernet”协议转换软件等的设计。

（一）设计思路

网关是一个建立在传输层以上的协议转换器，通常它连接两个或多个相互独立的网络，每接收一种协议格式的数据包后，转发之前将它转换为另一种协议格式。本文设计的嵌入式ZigBee网关就是基于这个思想，完成嵌入式环境下以太网的TCP/IP协议和无线传感器网络的ZigBee协议的无缝转换。

论文设计的网关系统采用模块化设计方案，简化为由硬件层、系统软件层和应用层三层组成，总体结构如图2所示：硬件层描述了网关系统的硬件实现；软件层移植μC/OS-II实时操作系统内核、ZigBee协议栈和嵌入式TCP/IP协议栈LwIP，实现了ZigBee和TCP/IP协议的双向透明转换，同时封装一些相关API函数供应用层程序调用；应用层是用户自行编写的应用程序，用户可以根据实际需要使用系统软件层定义的API进行自行扩充应用。

图2　ZigBee网关（基站）总体结构图

（二）系统硬件设计

考虑到ZigBee节点的通信带宽有限（数据速率最高仅为250 kbps），为了减少网关协议转换自身的工作量，主控微处理器一般要求使用内置以太网控制器的高速SoC芯片，本网关就是选择一款集成Ethernet接口的ARM9芯片完成硬件平台的搭建。

基于ARM9处理器的ZigBee无线传感器网络网关（基站）硬件框图如图3所示，由内部集成以太网MAC的ARM9处理器STR912FW44X、ZigBee射频收发芯片CC2431、大容量DataFlash数据存储芯片AT45DCB008、以太网收发芯片（PHY）RTL8201和带触摸功能的LCD显示模块LQ084V1DG21等五大部分组成。

图3　ZigBee网关（基站）硬件结构框图

三、系统软件设计

软件设计部分包括网关硬件平台上μC/OS-II下的LwIP和ZigBee协议栈的移植、网关协议转换软件的设计、基于C/S结构的远程监测系统设计。

（一）μC/OS-II下的LwIP的移植

LwIP协议栈在设计时就考虑到了移植问题，因此把所有与硬件相关、实时操作系统（RTOS）、编译器相关的部分独立出来，放在/src/arch目录下。因此LwIP在μC/OS-II上的移植就是修改这个目录下的文件，其它的文件一般不做修改。主要修改和实现以下几部分：

1.与CPU或编译器相关的include文件；

2.操作系统模拟层相关代码编写；

3.与RTOS相关的一些结构和函数；

4.lib_arch中库函数的实现；

5.网络芯片驱动程序编写。

（二）μC/OS-II下的ZigBee协议栈的实现

系统在设计的硬件平台及μC/OS-II操作系统环境下移植并改写了美国Msstate大学Robert B. Reese副教授编写的 ZigBee协议栈的子集MSSTATE_LRWPAN，我们把移植后的ZigBee协议栈称之为ez_PAN。ez_PAN实现了ZigBee Specification 1.1的关键部分功能，目前仅支持簇树状网络（Cluster Tree），支持网络的动态配置组网和动态绑定等。

（三）ZigBee/Enthernet协议转换软件设计

参考标准TCP/IP下的实现机制，本文编程实现了ZigBee协议下的适配层（Adaption Layer）和ARP，实现IP地址到IEEE 802.15.4/ZigBee节点地址的映射。实现转换的原理如图4所示。数据包在网关中从Ethernet向ZigBee单方向转换过程如下：Ethernet端从某网络接口接收一个正常发往本机的IP数据包，简单判断后发给对应的UDP或TCP处理函数进行相应处理，然后发给网关应用程序；网关应用程序经过简单分析后，确定要转发给ZigBee网络中的某一节点，通过ZigBee端的ARP解析出该节点在ZigBee网络中的MAC地址，然后把数据包成功交至该节点，这样就完成此次Ethernet向ZigBee的协议转换，ZigBee向Ethernet端转换类似。

图4　网关协议转换框图

（四）基于C/S结构的远程监测系统设计

上位机的目标跟踪监测图形界面设计，采用标准的C/S结构，这使得ZigBee传感器网络对目标定位和跟踪的结果可以在LAN、WLAN或Internet上的任何一台联网计算机上查询到，并根据用户的实际需要实时地绘制出移动目标的运动轨迹。

1.服务器与数据库设计

ZigBee网关（基站）通过Internet将移动目标的位置信息发送到服务器。服务器通过Socket程序读取这些数据，并存入本地数据库中，同时开启查询进程，供远程查询。服务器运行Socket程序从网络接口中抓取数据包写入数据库。数据库选用标准的SQL Server 2012，由它提供数据的写入、更新和查询等功能。

服务器的程序开发环境为Visual Studio.NET 2010，采用C#语言开发，其程序模块结构如图5所示。目前已开发的主要有以下几个模块：

（1）网络通信，负责进行Socket通信，接收从ZigBee网关（基站）发来的数据，接收客户端对信标节点的配置信息和信标节点状态查询信息，并实时转发给ZigBee网关（基站）；（2）数据处理，对采集到的数据进行处理、分析、统计，然后存储到数据库等；（3）数据查询，接受客户端要求对数据库进行相关数据查询，或通过ZigBee网关（基站）向ZigBee网络中的信标节点发送状态等相关信息查询指令；（4）数据库，用来存储数据信息，提供历史数据查询统计等；（5）管理界面，提供给数据库管理人员的操作界面。

图5　服务器和数据库端模块结构图

服务器端数据处理的流程如图6所示。

图6　服务器与数据库端数据处理流程

2.客户端GUI开发

（1）客户端GUI功能模块

用户通过客户端查询当前目标的信息和历史位置信息，这要求客户端具有实时显示目标的运动轨迹，能够提供查询和统计等功能。

①信标节点配置模块

显示、修改信标节点的配置参数，输入与定位相关的节点信息参数，如信标节点当前电压值，参考距离值等；

②维护测试模块

负责信标节点的关闭与启动、坐标校正和数据库的查询与维护；

③信标状态显示模块

各信标节点状态、当前目标所在区域信标节点的动态显示；

④数据库读写配置模块

通过数据库配置，完成与远程数据库的连接；

⑤轨迹绘制和显示模块

根据读取的移动目标的历史和当前位置信息绘制移动目标运动的轨迹，并实时显示给用户终端；

⑥系统管理模块

包括用户权限管理、系统维护日志和定期备份、软件版本及使用说明等基本功能。

（2）客户端监控界面

客户端图形监控软件也是在Windows 7操作系统上用Visual Studio.NET 2010的C#语言开发，软件运行环境为：Windows XP/7等。客户端软件的主界面如图7所示，图8信标节点配置管理界面。

图7　客户端监控主界面

图7中，“文件”菜单可以以.tr图片文件格式和txt文本方式打开，保存目标运动轨迹，显示部分用来实时显示某个目标在某时刻的位置，拖动图中的坐标尺调整按钮可以进行坐标系视图标尺的大小调整，跟踪轨迹显示区域则以图形化方式直观给出目标的运动轨迹。

图8　信标节点配置管理界面

在图8的信标节点配置管理界面中，用户可以根据自己的需要设置信标节点ID及其相对坐标和绝对坐标；根据检测到的剩余能量，动态调整节点发送和接收功率、节点电源的打开和关闭等。

四、结论

论文设计并开发了一个基于ZigBee无线传感器网络的目标跟踪原型系统：首先给出了系统的体系结构，即由“ZigBee传感器网络-ZigBee网关（基站）-服务器-客户端”4层结构组成；然后给出了原型系统两大关键部件—ZigBee网关（基站）和基于C/ S结构远程监测软件的设计思路和具体的软硬件实现。该定位跟踪系统设计思路和技术实现新颖，具有较强的实用性。

［1］李文仲，段朝玉.ZigBee2006无线网络与无线定位实战［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［2］倪明选.纳入973计划的无线传感器网络研究［J/OL］.中国计算机学会通讯，2008，（1）.

［3］王殊，阎毓杰，等.无线传感器网络的理论及应用［M］.北京:北京航天航空大学出版社，2007.

［4］冯颖.无线传感器网络的移动目标跟踪算法研究［D］.湖南大学，2007.

［5］史龙，王福豹，等.无线传感器网络Rang-Free自身定位机制与算法［J］.计算机工程与应用，2004，（23）.

（责任编辑：魏树峰）

A Design of Locating and Tracking System Based on ZigBee

LI Cong，TENG Jie-min，WU Zun，LI Yu-jie，LONG Hao
（Xuzhou College ofIndustrial Technology，Xuzhou 221000，Jiangsu）

At present，most positioning and tracking systems based on ZigBee wireless sensor network are at the stage of experiment and simulation，and many application systems have the problem of high energy consumption. A tracking system with four-layer structure based on ARM9CC2431，PICDEMZ target node and standard C/S software structure is developed，and the system structure is also illustrated.The design and implementation of ZigBee gateway（base station）and the remote monitoring software based on C/S structure are presented.With good positioning and tracking results，the design and technologies are innovative and have good prospect of applications.

wireless sensor network；location；track；gateway；remote monitoring

TP399

B

1671-802X（2016）01-0032-06

2016-01-03

李聪（1994-），男，江苏徐州人，学生，研究方向：软件工程。

龙浩（1984-），男，湖南长沙人，讲师，研究方向：软件工程，数据挖掘。E-mail：longhhao@163.com.

江苏省大学生实践创新计划训练项目（201513107004Y）资助