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北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中國正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統致力于向全球用戶(hù)提供高質(zhì)量的定位、導航和授時(shí)服務(wù)，包括向全球免費提供定位、測速和授時(shí)服務(wù)。目前，北斗衛星系統的建設正按計劃穩步推進(jìn)，目前已成功發(fā)射了16顆北斗導航衛星，服務(wù)范圍覆蓋了亞太地區。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò )覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )的所有者。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)中，最為符合低功耗、低成本、高可靠性要求的當屬ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種工作在全球、美國和歐洲3個(gè)頻段上的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，基于無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。它具有低功耗、低成本、低復雜度、自動(dòng)組網(wǎng)的特點(diǎn)，主要適合于短距離無(wú)線(xiàn)通信、組網(wǎng)、自動(dòng)控制和遠程控制等領(lǐng)域，并可以嵌入至各種設備中。 這兩種熱門(mén)技術(shù)特點(diǎn)鮮明，如果將它們結合，即把定位導航技術(shù)與短距離組網(wǎng)技術(shù)結合，就可以實(shí)現更廣泛和更復雜的應用，滿(mǎn)足對于不同規模和要求的檢測、定位、導航等各項需求，方便數據傳輸，彌補現有技術(shù)產(chǎn)品的空白。 1 創(chuàng )新功能 1.1 精確定位 ZigBee節點(diǎn)廣泛應用于野外環(huán)境勘測、智能交通監控等領(lǐng)域，單純的ZigBee節點(diǎn)采集的數據是一維數據，孤立的數據不利于分析與決策。如果將采集地的位置信息也一起獲取，就可以把采集到的環(huán)境信息與位置信息相結合，在匯總、分析時(shí)繪制成一個(gè)二維的數據地圖，更將直觀(guān)地了解信息的分布狀況;而如果再加上精確的時(shí)間，就組成了三維的數據體，這樣的數據更加綜合、全面。 1.2 間接定位 衛星定位通常要求在有天空視野的室外，因而在室內就定位困難。利用ZigBee的間接定位，當周?chē)呀?jīng)存在了包含定位設備的ZigBee網(wǎng)絡(luò )時(shí)，就可以接入ZigBee網(wǎng)絡(luò )實(shí)現間接定位。相當于在這個(gè)區域內任意可接入網(wǎng)絡(luò )的地點(diǎn)提供了實(shí)時(shí)間接定位的服務(wù)，任何設備都可以透過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )獲取自己當前的位置信息，這樣不僅降低了定位服務(wù)的成本，也擴大了定位的應用范圍。 1.3 網(wǎng)絡(luò )授時(shí) ZigBee網(wǎng)絡(luò )雖然具備低成本、低功耗、高可靠性的優(yōu)勢，但是考慮到網(wǎng)絡(luò )延時(shí)和較低的數據傳輸速率，因此在系統實(shí)時(shí)性方面不盡如人意。當ZigBee網(wǎng)絡(luò )面對的是某種對實(shí)時(shí)性要求較高的應用時(shí)，勢必會(huì )因為較大的時(shí)延，影響數據的精確性。如果采用從北斗衛星導航系統獲取的精確時(shí)間，然后對全網(wǎng)所有節點(diǎn)校時(shí)，那么節點(diǎn)的同步性就得到了提高，從而提高系統的響應速度。 1.4 數據通信 北斗衛星導航系統雖然可以提供精確的時(shí)間和位置信息，但是卻沒(méi)有信息的傳遞能力，ZigBee網(wǎng)絡(luò )就為這種信息組織提供了一種簡(jiǎn)便的方式。通過(guò)把北斗定位的數據架設于ZigBee網(wǎng)絡(luò )之中，就可以讓位置信息傳遞起來(lái)。 2 北斗+ZigBee終端的系統設計 2.1 結構體系 北斗導航系統與ZigBee網(wǎng)絡(luò )結構體系如圖1所示，主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和北斗導航節點(diǎn)組成。傳感網(wǎng)子網(wǎng)內一般由一個(gè)主節點(diǎn)和多個(gè)節點(diǎn)組成。主節點(diǎn)主要負責ZigBee網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)和網(wǎng)內設備的管理，同時(shí)與北斗定位導航模塊通信。 圖1 北斗-ZigBee網(wǎng)絡(luò )結構示意圖 2.2 硬件設計 在ZigBee節點(diǎn)的設計上，選用Freescale公司針對ZigBee技術(shù)推出的MC13213芯片。該芯片是完整的單芯片解決方案，其內部集成了HCS 08 MCU和遵循IEEE802.15.4標準的第二代無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器，也稱(chēng)為Modem。MC13213能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。其特點(diǎn)是速度快，片內資源豐富。其硬件框圖如圖2所示。 圖2 終端硬件功能框圖 北斗定位導航模塊以芯星通公司的UM220芯片為核心設計。UM220是針對車(chē)輛監控、氣象探測和電信電力授時(shí)等應用而推出的北斗/GPS雙系統模塊。單芯片支持北斗BD2/GPS功能，無(wú)需外接CPU即可直接輸出NMEA數據，支持UART、SPI、1PPS、I2C等多種接口。引腳連接如圖3所示，本設計通過(guò)TXD3、RXD3分別與MC13213的PTE1(TXD1)、PTE0(RXD1)相連，實(shí)現數據通信。 圖3 UM220與MC13213連接圖 2.3 軟件設計 ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據這個(gè)協(xié)議規定的技術(shù)，是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee設備包括IEEE 802.15.4(該標準定義了RF射頻以及與相鄰設備之間的通信)的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層——網(wǎng)絡(luò )層(NWK)、應用層和安全服務(wù)提供層。 由于受無(wú)線(xiàn)傳輸功耗的限制，傳輸有效距離在100 m以?xún)�，因此對于在區域范圍內的覆蓋就需要通過(guò)內置的ZigBee協(xié)議棧實(shí)現自動(dòng)組網(wǎng)和路徑計算功能。在終端設計中，數據傳輸的承載媒介是ZigBee網(wǎng)絡(luò )，不管是精確定位的坐標信息，還是間接定位的偵測信息，亦或是時(shí)間同步的數據，都依賴(lài)于ZigBee所提供的數據服務(wù)進(jìn)行傳輸。 精確定位的功能依賴(lài)于北斗導航定位所獲得的精確坐標。UM220模塊提供北斗的定位信息。UM220輸出數據采用ASCII碼，按照NMEA-0183格式進(jìn)行異步串行通信，因此通過(guò)將其通過(guò)串口與MC13213相連，設定每秒輸出一次定位信息，通過(guò)MC13213內置的單片機處理定位信息。UM 220輸出語(yǔ)句有$BDGGA、$BDGSA、$BDGSV、$BDRMC等。其中$BDGGA定位數據語(yǔ)句是最為常用的語(yǔ)句，因此我們選用它作為定位信息的輸出語(yǔ)句。 $BDGGA語(yǔ)句包括17個(gè)字段：語(yǔ)句標識頭，世界時(shí)間，緯度，緯度半球，經(jīng)度，經(jīng)度半球，定位質(zhì)量指示，使用衛星數量，水平精確度，海拔高度，高度單位，大地水準面高度，高度單位，差分GPS數據期限，差分參考基站標號，校驗和結束標記(用回車(chē)符和換行符)，分別用14個(gè)逗號進(jìn)行分隔。由此便獲得了經(jīng)、緯度和海拔高度的精確信息。這些信息將存儲在MC13213的內存中，不僅實(shí)現節點(diǎn)的精確定位，作為自己的位置信息，也為其他節點(diǎn)的間接定位提供參考信息。 間接定位常用的算法有兩種：基于距離的定位算法、與距離無(wú)關(guān)的定位算法。距離無(wú)關(guān)的定位算法的優(yōu)點(diǎn)是，對節點(diǎn)的硬件結構要求較低;缺點(diǎn)是定位精度不高，難以滿(mǎn)足室內定位的精度要求�；诰嚯x的定位則是通過(guò)測量節點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度信息，再使用一定的計算方法計算節點(diǎn)位置。常用的測距技術(shù)有RSSI、TOA、TDOA和AOA等。由于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊可以直接提供RSSI值，因此本設計使用RSSI信息來(lái)實(shí)現定位功能。 利用RSSI測量距離，需要建立距離與RSSI的模型。由于經(jīng)驗模型在實(shí)際定位前，需要先模擬測試環(huán)境，建立該環(huán)境中各個(gè)距離上的位置和信號強度關(guān)系的離線(xiàn)數據庫，操作起來(lái)較為繁瑣，數據庫也不適合單片機的應用，因此這里采用理論模型，用無(wú)線(xiàn)電傳播路徑損耗模型進(jìn)行計算。 自由空間無(wú)線(xiàn)電傳播路徑損耗模型公式如下： Loss = 32.44 + 10klog10d + 10klog10f (1) 式中，d為接收點(diǎn)距信源的距離，單位為km;f為頻率，單位為MHz;k為路徑衰減因子。 實(shí)際應用環(huán)境中，由于存在多徑、繞射、障礙物等各種影響岡素，因此還要對模型進(jìn)行改進(jìn)。這里采用一種對數一常態(tài)分布模型，其計算公式為： 式中，Xσ是平均值為0的高斯分布隨機變數，取其標準差范圍為4～10;k的取值范圍為2～5。取d=1，代入式(1)可得Loss，即PL(d0)的值。由此得到未知節點(diǎn)接收錨節點(diǎn)信號時(shí)的信號強度公式如下： RSSI = 發(fā)射功率 + 天線(xiàn)增益 - 路徑損耗(PL(d)) 假設移動(dòng)節點(diǎn)0接收到n(n≥3)個(gè)固定節點(diǎn)發(fā)送的信號，從接收到的n個(gè)信號中選取接收信號最強的3個(gè)固定節點(diǎn)作為信標節點(diǎn)A、B、C。利用RSSI測距方法，測量到的距離分別為dA、dB、dC，此時(shí)就可以根據dA、dB、dC采用圖4所示的三邊測量法確定位置。如果不相交于一點(diǎn)，則可以根據質(zhì)心法來(lái)實(shí)現。 圖4 三邊測量法 理論上，雖然獲取3個(gè)已定位節點(diǎn)的信息就可以確定一個(gè)未知節點(diǎn)的位置，但是實(shí)際情況會(huì )因為干擾而出現偏差。例如，當兩個(gè)射頻之間出現意外遮擋物時(shí)，接收信號會(huì )降低30 dBm。為了修正異常，提高定位結果的精確性，間接定位需要盡可能多的已定位節點(diǎn)的RSSI值，進(jìn)行相關(guān)的定位計算，那么當采用大量的節點(diǎn)后，RSSI的值將趨于穩定，這時(shí)就可以得出更加精確的定位結果。 ZigBee全網(wǎng)的時(shí)間同步使用FTSP算法實(shí)現。它通過(guò)發(fā)送一條報文并在發(fā)送和接收兩端分別打下時(shí)間戳來(lái)實(shí)現一對一或者一對多的時(shí)間同步。FTSP算法提供多跳的時(shí)間同步，由網(wǎng)絡(luò )的根節點(diǎn)維護一個(gè)全局時(shí)鐘，其他的所有節點(diǎn)都同步到根節點(diǎn)，由此將全網(wǎng)中的所有節點(diǎn)時(shí)間同步。 FTSP算法的實(shí)現步驟如下： ①發(fā)射同步(sync)字節，計算時(shí)間戳t，計算方法為當前的時(shí)間減去消息數據部分的發(fā)射時(shí)間，消息數據部分的發(fā)射時(shí)間，可以通過(guò)數據長(cháng)度和發(fā)射速率得出。發(fā)射時(shí)間戳t。 ②接收數據包，記錄sync字節最后到達的時(shí)間tr，計算位偏移(bit offset)。在收到完整消息后，計算位偏移產(chǎn)生的時(shí)間延遲tb，計算方法為計算位偏移和接收速率。 ③接收節點(diǎn)計算與發(fā)送節點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏移量off-set，然后調節本地時(shí)鐘與發(fā)送節點(diǎn)的時(shí)鐘同步。 3 性能測試 3.1 定位誤差測試 間接定位的實(shí)際測試中，共部署了23個(gè)傳感節點(diǎn)，其中使用北斗直接定位的有11個(gè)，沒(méi)有提供北斗定位而使用ZigBee定位的有12個(gè)。節點(diǎn)隨機分布，節點(diǎn)間設置了10～20 m不等的距離，然后進(jìn)行了10次間接定位的實(shí)驗。通過(guò)統計數據，分析與實(shí)際測量值的誤差，結果如圖5所示。 圖5 間接定位誤差分布 綜合計算，10次實(shí)驗的平均定位誤差為1.7 m�？紤]到平均14 m的節點(diǎn)間距離，定位誤差較小，符合應用要求。 3.2 時(shí)間同步誤差測試 在時(shí)間同步的仿真中，依然采用間接定位測試中的節點(diǎn)。23個(gè)節點(diǎn)位置隨機分布，時(shí)間同步周期為5 s，在原有ZigBee協(xié)議中增加了部分模塊的功能，包括MAC層的時(shí)間戳。在實(shí)驗中，分別記錄了FTSP在網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)間單跳和多跳的平均同步誤差，測試次數為10次，實(shí)驗結果如圖6所示。 圖6 間接定位誤差分布 根據實(shí)驗結果，兩個(gè)節點(diǎn)單跳FTSP平均誤差為2.12μs;但是到7跳的時(shí)候，兩個(gè)節點(diǎn)的平均誤差，FTSP為11.97 μs，結果表明，FTSP算法在多跳網(wǎng)絡(luò )中的同步誤差精度較高，曲線(xiàn)平滑，符合要求，可以達到提升ZigBee網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步準確性的目的。 結語(yǔ) 利用Freescale的ZigBee通信模塊MC13213與和芯星通UM220定位導航芯片組合搭建的硬件和軟件平臺，把北斗衛星定位系統的定位信息和授時(shí)功能與ZigBee系統相結合;利用精確的定位和授時(shí)數據改進(jìn)ZigBee協(xié)議棧的性能，增強其節點(diǎn)的功能，實(shí)現了精確定位、間接定位和全網(wǎng)時(shí)間同步的改進(jìn)。通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳輸性能的優(yōu)勢，彌補了單一北斗導航數據缺乏流動(dòng)性和數據形態(tài)孤立的不足。經(jīng)測試，設計終端性能穩定，效果良好，達到了預期的設計目標。 |
