引言

　　現如今，隨身物品頻頻丟失，造成財產損失，對人們日常生活造成嚴重的影響。當物品超出相對安全的范圍時，若使用者及時得到提醒，就會避免不必要的損失。因此，對物品是否在安全范圍的監測，即防盜監測系統的研究具有較高的現實意義。

　　有線方式通訊可靠、抗干擾能力強、器件成本低，適用于新建且可以在墻壁內預留連接線的建筑物，但是其具有機動性差、不便適應用戶及產品的多變要求，對預留連接線的維護及更換難度高、費用大的缺點。無線方式可避免探頭與主機之間的連接線，降低了現場施工、維護成本。它具有靈活、施工簡易、布線成本低等優點。

　　以短程無線通信為基礎，通過實時監控各無線模塊來判斷物品是否處于相對安全范圍內，若物品超出范圍時，則接收終端發出震動警報，提醒擁有者了解該物品目前處于“危險”狀態。

　　隨著無線通信技術的發展，出現了紅外、藍牙、射頻識別、ZigBee等相關技術，ZigBee技術具有低功耗、低成本、高通信率等優點[1]，使得 ZigBee技術成為當今無線通信技術的研究熱點。

　　本文結合ZigBee網絡技術、嵌入式技術、開發了一套無線定位系統。本系統采用無線傳輸和IEEE802.15.4短程無線通信協議，整個系統采用模塊化，設計成本較低，可實現一對一或者一對多個節點的無線設備的通信與定位。無線定位系統對于提高物品的安全監測起到了重要的作用。

　　1 無線防盜系統設計

　　本文設計的無線防盜系統包括ZigBee終端節點、ZigBee網絡協調器(即報警主機)與PC三個部分組成，如圖1所示。終端節點由無線發射器CC2530模塊、3.7V鋰電源組成。報警主機由無線收發CC2530模塊、數據處理模塊組成。

　　如圖1所示，首先，總機向終端發送請求定位信息，然后，終端節點發射自身的RSSI值，最后，網絡協調器根據接收的RSSI值計算該節點的距離。網絡協調器通過串口將終端節點的網絡ID號，RSSI值和定位距離顯示在PC機上。

　　1.1 ZigBee定位系統結構

　　ZigBee是基于IEEE標準的802.15.4無線標準研制開發的[2]。本系統采用ZigBee樹形結構，利用ZigBee的定位系統包括網關節點、參考節點和定位節點[3]，如圖2所示。

　　網關節點即無線定位系統的網絡協調器，由CC2530模塊和HFZ-SmartRF07EB組成，通過串行口RS232與PC相連。首先它接收監控軟件提供的各個參考節點和定位節點的配置數據，并發送給相應的節點;其次，接收各個節點反饋的有效數據，并將其傳輸給監管軟件。

　　參考節點是無線定位系統中已知坐標的靜態節點，是ZigBee網絡中的路由器，由3.7V鋰電池與CC2530模塊組成。

　　定位節點是無線定位系統中的移動節點，由CC2530與電源模塊組成，它是ZigBee網絡的路由器。通過處理參考節點發送的信息包來計算自身的RSSI值。

　　1.1.1 RSSI測距原理

　　文獻[4]提出RSSI和無線信號傳輸距離之間有確定的關系。RSSI定位技術是根據信號強度在傳輸過程中的衰減程度來估算節點間的距離[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-接收端與發射端之間的距離(m);

　　d0-參考距離，一般取1m;

　　pr(d0)-參考距離d0點對應的接收信號功率(dBm);

　　n-路徑衰減指數，與環境有關的值，一般取2～4;

　　XdBm-平均值為0的高斯隨機變量，反應當距離一定時，接收信號功率的變化;

　　在本系統實際設計中，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遠時接收信號的功率(單位dBm)，d0=1m接收端與發送端之間的距離(單位m)。通過公式(2)算出發射節點與接收節點之間的距離d。

　　RSSI測距具有重復性和互換性，在應用環境下，RSSI的變化有規律可循。這在無線測距調試過程中起到了關鍵的作用。

　　1.1.2 統計均值模型

　　利用RSSI測距時，有三種處理RSSI數據的校正模型，分別為：統計均值模型、基于固定節點間距離的校正模型和高斯模型。

　　統計均值模型是指未知節點采集一組RSSI值，然后求出這些數據的均值，由式(3)給出：

　　可以通過調整m值來平衡精確性和實時性。m很大時，可有效地解決定位數據的隨機性，但提高了通信成本。

　　1.2 硬件設計

　　本系統選擇ZigBee作為無線通信平臺，利用TI公司的CC2530無線收發芯片完成固定節點與移動節點的無線通信及RSSI的收集。CC2530芯片內部集成了2.4GHz的ZigBee射頻前端、模數轉換器、低功耗的8051內核MCU，集成IEEE 802.15.4標準MAC收發器[7]。

　　接收主機為固定節點。物品上事先安裝的為移動節點，移動節點的尺寸為5.8cm×5.8cm。固定節點從CC2530接收的MAC層讀出芯片寄存器RSSI—VAL的值。通過收集移動節點RSSI值，設定輸入參數A(通常取-35dBm)與n(通常取3.5)，通過公式(1)(2)計算兩節點間的距離。定位估計算法需要3～8個參考節點，計算節點位置耗時少于40ms。在無障礙環境下，測距范圍為100m，定位偏差低于2.5m，從而完成定位測距功能。

　　1.3 軟件設計

　　固定節點(接收主機)的位置信息由程序先寫入CC2530模塊，主機向移動節點(丟失物品)發送請求定位信息，移動節點收到定位請求后向主機回復一條消息，該消息中包含了計算距離所需的數據。基于ZigBee的CC2530定位系統的流程。

　　為了提高定位精度，對接收的定位信息包的數量規定至少3個。RSSI值是通過讀取max_rx.c文件中的數組rxBuf的第1位，代碼如下：RSSI=rxBuf[0]。

　　此時的信號強度值是補碼形式，因此在讀取之前需要對其進行補碼轉換，即temp=~(rspMsg[LOCATION_XY_RSSI_IDX]-1)，最后向串口送出定位結果。

　　2 實驗結果

　　本文設計了一種基于ZigBee的無線防盜系統，通過串行口助手調試結果包括My name即被分配的網絡ID號(調試ID號每次都不一樣)、RSSI值與race距離。如圖4所示為本系統的定位測距結果75m。

　　上位機定位距離顯示界面如圖5所示，短地址為移動節點請求加入ZigBee網絡后分配的ID號，通過接收的RSSI值計算得出定位距離。

　　實驗表明，該系統實現了預期的功能，具有低功耗、低成本、高速率等特點。

　　在后續的工作中，可以改進RSSI的校正模型來提高定位精度和抗干擾能力。