一种基于cc2530的多方式协同定位系统和定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于CC2530的多方式协同定位系统和定位方法，定位系统包括上位机，基于Z-Stack07协议栈的ZigBee无线网关节点，参考节点和待定位节点，以及给网关节点、参考节点和待定位节点供电的电源模块；定位方法包括采用待定位节点自主定位模式和采用上位机辅助定位模式；本发明充分利用了ZigBee的组网和通信功能，在硬件要求并不高的情况下，能够有效保证定位信息的实时性和有效性。在待定位节点上采用多边定位算法，降低算法开销，以平衡利用CC2530硬件能力。也可以根据不同的环境情况，上位机调用三种不同的定位算法以降低环境对定位精度的影响。
【专利说明】一种基于CC2530的多方式协同定位系统和定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于定位【技术领域】，涉及一种无线传感器网络中的室内定位技术，具体涉 及一种基于CC2530的多方式协同定位系统和定位方法。
【背景技术】
[0002] 随着数据业务快速增加和物联网技术的发展，工业、农业、商业、军事等领域的研 究者越来越关注于无线传感器网络，无线传感器网络是一种全新的信息获取技术和处理定 位系统，通过部署大量传感器节点至目标区域，能够实现实时监测、感知和采集各种环境或 监测对象的信息。环境或监测对象中很重要的一点就是空间位置信息，尤其在复杂环境中， 人们常常需要确定移动终端或物品的位置信息，进而用于监控管理、安全报警、指挥调度、 物流和紧急救援等。如果可以获得节点的当前位置，则能极大提高人们工作效率，许多实用 的个性化功能才能实现。
[0003] 不同的测量信息所采用的室内定位算法也不尽相同，在室内定位计算的复杂度、 定位精度、定位系统的稳定性等方面也有所差别。某些定位算法如TD0A在理论和仿真等 方面分析能够达到比较好的定位效果，但在现实环境中定位系统的制作和运行成本往往很 高，技术复杂度也很高。因此这些定位系统很难运用于实际。
[0004] RSSI测量信息的获取就简单很多，现在很多无线传感器网络都附带了 RSSI测量 技术，在无线传感器网络节点的通信过程中，传送数据包已经包含了相应节点之间的RSSI 值。ZigBee技术的硬件成本与技术复杂度都较低，即为RSSI的测量提供了良好的定位系 统，也为室内定位的大规模推广应用提供了保障。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，提出一种基于CC2530的多方式协同定位系统和定位方法，通 过上位机辅助待定位节点定位，以达到定位精度高、受环境影响小等优点。本发明的系统所 米用的技术方案是：一种基于CC2530的多方式协同定位系统，其特征在于：包括上位机，基 于Z_Stack07协议栈的ZigBee无线网关节点，参考节点和待定位节点，以及给网关节点、 参考节点和待定位节点供电的电源模块；所述的网关节点在整个ZigBee网络中的角色为 协调器，其核心元器件为CC2530芯片，网关节点用于负责网络建立，通过串口与所述的上 位机进行通信，接收上位机提供的各种配置参考节点、定位节点的信息，并上传定位数据至 上位机中；所述的整个ZigBee网络呈网状结构，所述的网关节点、参考节点、待定位节点之 间均通过节点之间的命令串应答来进行相互通信；所述的参考节点位置是固定的，其核心 元器件为CC2530芯片，参考节点用于接收所述的待定位节点发送的广播信息，并将一个包 含自己位置的X、Y坐标和RSSI的信息包发给所述的待定位节点；所述的待定位节点核心元 器件为CC2530芯片，待定位节点用于向周围一跳范围内的参考节点发送广播信息，并接收 收到信息的参考节点发出的包含自己位置的X、Y坐标和RSSI的信息包。
[0006] 作为优选，所述的上位机为PC机或笔记本。
[0007] 作为优选，所述的参考节点的数量至少为3个。
[0008] 作为优选，所述的上位机包括串口配置模块、节点配置模块、数据处理模块和位置 显示模块，主要作用包括配置各个参考节点的X、Y坐标，配置待定位节点计算所需的参数A 和参数N的值，其中A为lm处的接收信号强度，N为路径衰减指数，然后调用动态链接库， 显示参考节点位置和待定位节点位置信息。
[0009] 作为优选，所述的电源模块，是蓄电池或移动电源。
[0010] 本发明的方法所米用的技术方案是：一种基于CC2530的多方式协同定位方法，其 特征在于：采用待定位节点自主定位模式，待定位节点根据参考节点发送过来的X、Y坐标、 RSSI值以及输入参数A和参数N的值，其中A为lm处的接收信号强度，N为路径衰减指数， 计算自身的位置，然后将位置信息通过所述的网关节点反馈至上位机中，并在上位机中显 示位置信息。
[0011] 本发明的方法所米用的技术方案是：一种基于CC2530的多方式协同定位方法，其 特征在于：采用上位机辅助定位模式，待定位节点将各参考节点的RSSI值直接通过所述的 网关节点发送至上位机，上位机通过拟合计算参数A和参数N的值，其中A为lm处的接收 信号强度，N为路径衰减指数，根据这些数据计算待定位节点坐标，并在上位机中显示位置 信息。
[0012] 作为优选，在上位机辅助定位模式下，将待定位节点放置在已知坐标位置，上位机 通过串口接收不同距离下的RSSI值，根据公式RSSI = -(10Nl〇g1Qd+A)，经MATLAB拟合得 到该环境下的参数A和参数N的值。
[0013] 作为优选，在上位机辅助定位模式下，移动所述的待定位节点，上位机通过串口接 收各个参考节点的RSSI值，已知的各个参考节点坐标和拟合得到的参数A和参数N的值， 经MATLAB计算得到待定位节点坐标，生成动态链接库，提供已计算得出的待定位节点坐 标，并在上位机中显示位置信息。
[0014] 作为优选，在上位机辅助定位模式下，针对不同环境下待定位节点与其相邻的参 考节点连通度的不同，上位机分别采用三种不同的定位算法计算待定位节点坐标；当连通 度远大于3且不共线的情况，调用加权质心定位算法；当连通度大于3,调用基于距离反馈 采样优化定位迭代算法；当连通度小于3,调用未知节点协作升级定位算法。
[0015] 本定位系统采用TI出产的CC2530,就是一款针对ZigBee的片上系统解决方案。 CC2530集成一个高性能射频收发器和增强型的8051CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和 最高256KB闪存，CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运 行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。
[0016] 鉴于CC2530系统芯片矩阵运算和浮点数运算能力有限，本定位系统在待定位节 点自主定位模式中，待定位节点计算自身坐标采用多边定位算法，该定位算法相对简单，以 减轻芯片计算负荷。但是该算法定位精度较低，并且容易受到环境影响。因此，本定位系统 增加了上位机辅助定位模式，在该模式下，针对不同的节点连通度，上位机分别调用加权质 心偏移定位算法、基于距离反馈自定位迭代算法和未知节点协作多边测量算法，该模式能 明显降低环境影响，优化定位精度和效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1 :为本发明实施例的系统原理图。
[0018] 图2 :为本发明实施例各节点通信流程图。
[0019] 图3 :为本发明实施例上位机对参考节点进行配置的界面图。
[0020] 图4 :为本发明实施例上位机对待定位节点进行配置的界面图。
[0021] 图5 :为本发明实施例基于距离反馈采样优化定位迭代算法的节点拓扑图。
【具体实施方式】
[0022] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发 明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0023] 请见图1，本发明的定位系统所采用的技术方案是：一种基于CC2530的多方式协 同定位系统，包括上位机1，基于Z_Stack07协议栈的ZigBee无线网关节点2,参考节点3 和待定位节点4,以及给网关节点2、参考节点3和待定位节点4供电的电源模块；上位机 1为PC机，上位机1包括串口配置模块、节点配置模块、数据处理模块和位置显示模块，主 要作用包括配置各个参考节点3的X、Y坐标，配置待定位节点4计算所需的参数A和参数 N的值，其中A为lm处的接收信号强度，N为路径衰减指数，N -般取值2-4,调用动态链接 库，显示参考节点3位置和待定位节点4位置信息；参考节点3的数量为7个；网关节点2 在整个ZigBee网络中的角色为协调器，其核心元器件为CC2530芯片，网关节点2用于负责 网络建立，通过串口与上位机1进行通信，接收上位机1提供的各种配置参考节点3、定位 节点4的信息，并上传定位数据至上位机1中；参考节点3位置是固定的，其核心元器件为 CC2530芯片，参考节点3用于接收待定位节点4发送的广播信息，并将一个包含自己位置的 X、Y坐标和RSSI的信息包发给待定位节点4 ;待定位节点4核心元器件为CC2530芯片，待 定位节点4用于向周围一跳范围内的参考节点3发送广播信息，并接收收到信息的参考节 点3发出的包含自己位置的X、Y坐标和RSSI的信息包。
[0024] 本实施例的参考节点3的数量为7个，但这并不是对本发明的限定，事实上，本发 明参考节点3的数量至少为3个即可。
[0025] 请见图2,为本发明实施例各节点通信流程图；整个ZigBee网络呈网状结构，网关 节点2、参考节点3、待定位节点4之间均通过节点之间的命令串应答来进行相互通信；网关 节点2建立网络后，广播参考节点3和移动节点4配置请求，参考节点3和待定位节点4 配置完成后，发送配置完成到网关节点2。然后网关节点2发送待定位节点4数据请求， 待定位节点4收到该命令后，对各个参考节点3单播RSSI请求命令，参考节点3多次收集 RSSI并经过高斯滤波后，单播RSSI应答，包含各自坐标和自身与待定位节点之间的RSSI。
[0026] 本发明的定位方法所米用的技术方案是：一种基于CC2530的多方式协同定位方 法，包括采用待定位节点自主定位模式和采用上位机辅助定位模式；
[0027] 在待定位节点自主定位模式下，待定位节点4根据参考节点3发送过来的X、Y坐 标、RSSI值以及输入参数A和参数N的值，计算自身的位置，然后将位置信息通过所述的网 关节点2反馈至上位机1中，并在上位机1中显示位置信息。
[0028] 在上位机辅助定位模式下，待定位节点4将各参考节点3的RSSI值直接通过所述 的网关节点2发送至上位机1，上位机1通过拟合计算参数A和参数N的值，根据这些数据 计算待定位节点4坐标，并在上位机1中显示位置信息。
[0029] 在上位机辅助定位模式下，将待定位节点4放置在已知坐标位置，上位机1通过串 口接收不同距离下的RSSI值，根据公式RSSI = -(10Nlog1(ld+A)，经MATLAB拟合得到该环 境下的参数A和参数N的值，其中A为lm处的接收信号强度，N为路径衰减指数，N -般取 值 2-4。
[0030] 在上位机辅助定位模式下，移动所述的待定位节点4,上位机1通过串口接收各个 参考节点3的RSSI值，已知的各个参考节点3坐标和拟合得到的参数A和参数N的值，经 MATLAB计算得到待定位节点4坐标，生成动态链接库，提供已计算得出的待定位节点4坐 标，并在上位机1中显示位置信息。
[0031] 本实施例在定位区域布置7个位置已知的参考节点3,网关节点2通过RS232连接 上位机1，网关节点2上电建立网络后，参考节点3自动加入网络，此时上位机1可以配置参 考节点3坐标信息，请见图3,为本发明实施例上位机对参考节点进行配置的界面图；参考 节点3配置命令格式为表1 :
[0032] 表1参考节点配置命令格式
[0033]
【权利要求】
1. 一种基于CC2530的多方式协同定位系统，其特征在于：包括上位机（1)，基于 Z_Stack07协议栈的ZigBee无线网关节点（2)，参考节点（3)和待定位节点（4)，以及给网 关节点（2)、参考节点（3)和待定位节点（4)供电的电源模块；所述的网关节点（2)在整个 ZigBee网络中的角色为协调器，其核心元器件为CC2530芯片，网关节点（2)用于负责网络 建立，通过串口与所述的上位机（1)进行通信，接收上位机（1)提供的各种配置参考节点 (3) 、定位节点（4)的信息，并上传定位数据至上位机（1)中； 所述的整个ZigBee网络呈网状结构，所述的网关节点（2)、参考节点（3)、待定位节点 (4) 之间均通过节点之间的命令串应答来进行相互通信； 所述的参考节点（3)位置是固定的，其核心元器件为CC2530芯片，参考节点（3)用于 接收所述的待定位节点（4)发送的广播信息，并将一个包含自己位置的X、Y坐标和RSSI的 信息包发给所述的待定位节点（4); 所述的待定位节点（4)核心元器件为CC2530芯片，待定位节点（4)用于向周围一跳范 围内的参考节点（3)发送广播信息，并接收收到信息的参考节点（3)发出的包含自己位置 的X、Υ坐标和RSSI的信息包。
2. 根据权利要求1所述的基于CC2530的多方式协同定位系统，其特征在于：所述的上 位机⑴为PC机或笔记本。
3. 根据权利要求1所述的基于CC2530的多方式协同定位系统，其特征在于：所述的参 考节点（3)的数量至少为3个。
4. 根据权利要求1、2或3所述的基于CC2530的多方式协同定位系统，其特征在于：所 述的上位机（1)包括串口配置模块、节点配置模块、数据处理模块和位置显示模块，主要作 用包括配置各个参考节点（3)的X、Y坐标，配置待定位节点（4)计算所需的参数A和参数 N的值，其中A为lm处的接收信号强度，N为路径衰减指数，然后调用动态链接库，显示参考 节点（3)位置和待定位节点（4)位置信息。
5. 根据权利要求1、2或3所述的基于CC2530的多方式协同定位系统，其特征在于：所 述的电源模块，是蓄电池或移动电源。
6. -种利用权利要求1所述的基于CC2530的多方式协同定位系统进行多方式协同定 位的方法，其特征在于：采用待定位节点自主定位模式，待定位节点（4)根据参考节点（3) 发送过来的X、Y坐标、RSSI值以及输入参数A和参数N的值，其中A为lm处的接收信号强 度，N为路径衰减指数，计算自身的位置，然后将位置信息通过所述的网关节点（2)反馈至 上位机（1)中，并在上位机（1)中显示位置信息。
7. -种利用权利要求1所述的基于CC2530的多方式协同定位系统进行多方式协同 定位的方法，其特征在于：采用上位机辅助定位模式，待定位节点（4)将各参考节点（3)的 RSSI值直接通过所述的网关节点（2)发送至上位机（1)，上位机（1)通过拟合计算参数A 和参数N的值，其中A为lm处的接收信号强度，N为路径衰减指数，根据这些数据计算待定 位节点（4)坐标，并在上位机（1)中显示位置信息。
8. 根据权利要求7所述的基于CC2530的多方式协同定位方法，其特征在于：在上位机 辅助定位模式下，将待定位节点（4)放置在已知坐标位置，上位机（1)通过串口接收不同距 离下的RSSI值，根据公式RSSI = -(10Nlog1(ld+A)，经MATLAB拟合得到该环境下的参数A 和参数N的值。
9.根据权利要求7所述的基于CC2530的多方式协同定位方法，其特征在于：在上位机 辅助定位模式下，移动所述的待定位节点（4)，上位机（1)通过串口接收各个参考节点（3) 的RSSI值，已知的各个参考节点（3)坐标和拟合得到的参数A和参数N的值，经MATLAB计 算得到待定位节点（4)坐标，生成动态链接库，提供已计算得出的待定位节点（4)坐标，并 在上位机（1)中显示位置信息。10.根据权利要求7所述的基于CC2530的多方式协同定位 方法，其特征在于：在上位机辅助定位模式下，针对不同环境下待定位节点（4)与其相邻的 参考节点（3)的连通度的不同，上位机（1)分别采用三种不同的定位算法计算待定位节点 (4)坐标； 当连通度远大于3且不共线的情况，调用加权质心定位算法； 当连通度大于3,调用基于距离反馈采样优化定位迭代算法； 当连通度小于3,调用未知节点协作升级定位算法。
【文档编号】H04W84/18GK104125537SQ201410393562
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】张铮, 曾论, 陶兴朋, 王婵, 杨帆, 夏添 申请人:湖北工业大学