福建电脑2010年第9期基于ZigBee无线传感器网络的室内定位系统设计江晓飞，王英俊，王武，蔡逢煌（福州大学电气工程与自动化学院福建福州350108）【摘要】：研究设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的室内定位系统。
该系统通过待定位点发射红外信号和超声波信号到达各个参考节点的时间差计算出待定位点到达参考点的距离，再通过三点定位法计算出待定位点的坐标信息。
文章介绍了ZigBee技术，TDOA定位原理，设计了红外传感器、超声波传感器的发射、接收模块，主芯片hc9s12dg128外围接口电路，并完成了相关的软件设计。
【关键词】：ZigBee，无线传感器网络，TDOA,三点定位0、引言定位通常是指确定地球表面某种物体在某一参考坐标系中的位置，它能为导航提供信息。
在无线传感器网络中，节点所采集到的数据，（如温度，湿度等）必须与测量坐标系内的位置结合，所采集的信息数据才有意义。
在智能机器人研究中，定位为导航提供基础和保障。
当今使用最广泛，也是最成熟的定位技术是全球定位系统（GPRS，Global Positioning System），它能在全球范围内全天候地进行定位，具有定位精度高，抗干扰能力强等特点[1]，但是它适用于无遮挡的室外环境，无法满足室内定位的需要。
无线传感器网络融合了网络通信技术，微机电系统机技术和传感器技术，是当前国际上备受关注、由多学科交叉的一个新兴前沿热点领域[2]。
它能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,传送到这些信息的用户.通过建立传感器网络，再将传感器信息发送至PC上位机计算处理可以得到传感器网络区域内的各种信息。
目前的定位算法从定位手段上分有两大类：基于测距算法（ranged-based）和非测距算法（range-free）。
常用的测距方法包括RSSI（Received Signal Strength Indicator）法、TOA（Time of Arrival）法、TDOA（Time Difference On Arrival）法和AOA（Angle of Arrival）法。
非测距的定位算法有DV-hop算法、DV-distance算法、APIT算法、Amorphous算法和质心算法[2],[3]。
本文研究基于ZigBee无线传感器网络的室内定位系统，采用红外传感器，超声传感器进行基于测距的TDOA算法.该系统结构简单，可拓展性强。
1、ZigBee技术简介无线传感器网络一般由传感器子节点，终端节点，上位机构成。
传感器节点在区域内取得各种信息并通过无线网络传给终端节点，终端节点接收子节点信息并传输给上位机，上位机接收终端节点信息处理显示给用户。
无线网络节点间信息的传输通常使用ZigBee 技术。
ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，主要应用于段距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间，尤其适用于传感器。
它具有以下特点：数据传输速率低、有效范围小、工作频段灵活、省电、时延短、可靠、成本低、网络容量大[4],[5]。
2、TDOA定位原理。
不同的信号在空气中的传播速度不同，通过不同传播速度的信号到达的时间差可计算出两点之间的距离。
本文使用红外和超声两种信号到达参考点的时间差进行测距。
红外信号和超声信号同时从同一点发射，红外信号传播速度快，先到达已知点后开始计时，等超声信号到达已知点后停止计时，这段时间即是两种信号到达的时间差。
设两个点之间的距离为s,红外信号传播速度为v1（光速）,到达已知点所需时间为t1，超声信号传播速度为v2（声速）,到达已知点所需时间为t2。
两种信号到达同一个参考节点的时间差为t2-t1。
(1)(2)由于光速为30公里每秒，实验测距范围小于10米，红外信号传播所需时间小于3*10E-8秒，且远小于超声信号传播的时间，在测量精度内可忽略所以(2)式可转化为（3）3、红外、超声传感器原理红外传感器包括了红外发射管和红外接收管。
对红外发射管供电就会发射出不可见的红外光。
红外接收管对一定频率的红外光敏感，当接收到一定频率的红外光时会引起其信号脚电压的变化。
本文将红外接收管的信号脚的高低电平用于控制计时器的开始信号。
超声传感器包括超声波发射器T和超声波接收器R。
给发射器T提供一定频率的驱动信号，就会向空气221*()s v t t??基金项目：福州大学科研资助项目（2009-XQ-05）13福建电脑2010年第9期中发射超声波，接收器R接收到该超声波就会引起其信号脚电平的变化。
本文的超声传感器选用T40-16型号，外径16mm，中心频率40kHz,最佳使用频率39~ 41kHz，当输入脉冲的占空比为50%时有最佳的驱动效果。
本文选用555多谐振荡器分别来产生38KHZ和40KHZ的频率来驱动红外发射管和超声波发射器，并且用555来产生1Hz，占空比为50%的脉冲来控制红外发射电路和超声发射电路的开关。
其发射电路如图1所示：图1红外、超声发射电路4、三点定位法在无线传感器网络中，测得未知点与信标节点的距离，取其中3个距离即可用三边测量法算出它在坐标系中的坐标。
假设3个信标节点的坐标为A(x a,y a)，B (x b,y b)，C(x c,y c)，如图2所示，未知节点O的坐标为O(x, y)，该点到3个信标节点的距离分别为d a，d b，d c，那么，有以下公式[6]：（4-1）由（4-1）可以得到O点坐标为：图2三点定位示意图5、系统软硬件设计系统由待定位点，一个主节点，四个参考子节点和PC上位机构成。
其中待定位点包括红外、超声发射模块，子节点包括红外、超声接收模块，计时模块和Zig-Bee无线发射模块，主节点包括ZigBee接收模块和RS232接口电路。
5.1红外、超声发射模块。
红外、超声发射模块位于待定位点上，由ne555振荡电路发射，其中红外发射频率38KHz，超声波发射频率为40KHz，由频率为1Hz占空比为50%的脉冲来载波。
发射电路如图1。
5.2主芯片计时模块红外、超声接收传感器接收到信号后，将引脚信号输入到主控芯片计时。
主控芯片系统控制器芯片采用飞思卡尔公司hc9s12dg128，该芯片有4个增强型捕捉定时器，且可与CodeWarrior相连，具有下载程序、在线单步运行、断点调试、连续运行、修改寄存器和存储单元等特点。
定时器接收到红外下降沿信号记录定时起点，接收到之后的超声下降沿信号时记录定时终点，这两个时间差即为两种信号到达的时间差。
5.3ZigBee无线收发模块子节点主控芯片计算出红外，超声信号分别到达的时间差后，将此时间差数据发送至无线模块发送端口无线发送。
本系统的无线收发模块采用成都无线龙公司的C51RF-3ZigBee无线网络开发系统，是经济、高效、方便、快捷、可重复使用的开发工具套装，完全满足IEEE802.15.4标准和ZigBee技术标准的无线网络技术设计开发。
系统集成cc2430和51单片机，CC2430芯片的主要特点如下：图3子节点流程图14福建电脑2010年第9期《福建电脑》投稿须知《福建电脑》（国际标准刊号:ISSN 1673-2782；国内统一刊号CN 35-1115/TP ）是福建省科技厅主管，福建省计算中心和福建省计算机学会主办的计算机学科综合月刊。
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6.编辑部投稿信箱:fjdn@（1）高性能、低功耗的8051内核；（2）适应2.4GHzIEEE 802.15.4的RF 收发器；（3）极高的接收灵敏度和抗干扰性能；（4）强大的DMA 功能；系统采用频分多址（FDMA ）技术分别给四个Zig -Bee 模块分频不同的频率，各ZigBee 发射节点以不同的频率在不同的时间发射，主节点根据接收频率接收分辨各节点的信息。
图4主节点流程图5.4上位机接口电路选用RS232电路，将主节点cc2430接收到的数据发送至PC 机计算。
5.5系统流程说明安装在待测节点上的红外、超声发射传感器同时发射出红外、超声信号。
4个参考子节点接收到红外下降沿信号时开始计时，接收到超声下降沿信号时计时结束，计算出此时间差，并将此数据发送到cc2430射频无线发送给主节点cc2430。
主节点工作以后，等待4个子节点发送的数据信息，接收到4个数据后，将此数据由RS232电路传输给上位PC 机并计算出待测点的坐标。
其工作流程如图3、图4所示：5.6定位效果图5定位效果图6、结束语本文研究设计了基于ZigBee 无线传感器网络的室内定位系统，该系统最终可以在2m*2m 范围内达到2cm 的测距精度和2cm 的定位精度。
通过加大红外、超声传感器的发射功率可以有效扩大该系统的定位范围，系统体积小，安装方便，工作状态良好且稳定，可以很好地满足室内定位的要求。
参考文献:[1]范平志,邓平,刘林.蜂窝无线定位.电子工业出版社,2002:1-3[2]李文峰.无线传感器网络与移动机器人控制.科学出版社，2009:55-57[3]马祖长，孙怡宁.无线传感器网络节点的定位算法,计算机工程2004:85-88[4]崔逊学,左从菊.无线传感器简明教程.清华大学出版社,2009:173-174[5]王东霞，贺金龙，窦文华.无线传感器网络研究综述。
计算机测量与控制.2004[6]刘海波，皱涛，翁哲.无线传感器网络定位技术应用。
中国新技术新产品.200915。