一种基于LQI的无线低功耗室内定位系统设计*

虞致国，万书芹，魏 斌，陈子逢，黄召军

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

定位包括室外定位、室内定位两类。其中室外定位比较成熟，如GPS、北斗系统等，但它们的信号难以穿透室内空间的建筑材料，无法在室内进行应用。室内定位技术不仅可让使用者快速辨识位置，而且可以提供其他辅助服务，如设备跟踪、无线路由协助、网络拓扑控制等[1-2]。目前，室内定位技术已成为国内外的研究热点之一[3-5]。

ZigBee技术是一种低速率、小范围、低功耗的无线通信协议。随着该技术的迅速应用，基于该技术的局部定位技术也开始得到广泛的研究。本文以ZigBee技术为基础平台，基于链接质量指标（LQI）实现了一个无线高精度室内定位系统，具有可方便利用已有硬件设备、成本低、可嵌入到传感网系统中等特点。

2 基于LQI的定位原理[6]

2.1 三边测量法

三边测量法是无线网络中基于距离定位的基本算法。三边测量需要同时测量目标对象到三个已知位置的静态节点的距离，进一步求三个已知半径和圆心坐标的圆的交点，从而给目标定位。图1为三边测量定位模型。

图1 三边测量定位模型

已知三个参考节点A、B、C的坐标分别为（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），它们到未知节点的距离节点（x，y）的距离分别为r1、r2、r3，则可以建立如下方程：

由式（1）可以得出D点的坐标。

2.2 基于LQI的测距

从三边测量法的原理可以看出，其核心为测出未知目标至参考点的距离。LQI为ZigBee协调器选择信道的依据之一，在ZigBee收发模块每接收一个数据帧时都可以得到，其动态范围为0～255。LQI与实际距离的对应关系模型直接影响到定位的准确性。在本文中，我们采用的方法是多项式拟合的方法。假定盲节点到参考节点的距离为d，参考节点提取的LQI为lqi_val，则假定有以下关系：

其中参数a3、a2、a1及a0要根据实际的场景模型测得数据经过MATLAB模拟得到。

3 系统构建

整个系统包括无线节点和管理终端，其中节点包括协调器、参考节点和盲节点。参考节点为已知自身位置坐标信息的固定节点。盲节点为待定位的节点，可在参考点包围的范围任意移动。定位流程为盲节点广播发送报文给参考节点，参考节点从接收到的报文中提取LQI并把它发回给盲节点，然后由盲节点统一打包后发给协调器，再传回到管理终端。系统结构如图2所示。

图2 定位系统的基本结构

4 节点的硬件设计

为了在无线传感器网络应用中节省成本，设计一种无线传感器网络通用节点的基本构架，完成一种具有实用价值、通用节点的软硬件平台的搭建是一个值得关注的问题。文中设计的硬件主要包括协调器节点、参考节点和盲节点三类。硬件平台采用模块化设计思想，尽量将一些公用模块独立出来。射频模块为各种类型节点不可缺少的部分，因此可以单独设计。为了降低开发成本，协调器节点和参考节点采用了相同的主板，只是根据一些实际需求来判断是否焊接相应的器件。协调器、参考节点和盲节点结构如图3所示。

图3 节点框图

4.1 射频模块的设计

射频模块的硬件包括MCU电路、时钟、RF匹配电路、天线、相应的对外接口等。为改进传统无线技术的应用，越来越多的无线网络器件和无线网络解决方案在向芯片无线网络平台或无线单片机的新型解决方案方向发展，如TI公司的CC2430/CC2431、FreeScale公司的MC1319x/MC1322x系列等。文中选择的是MC1322x，该芯片是Freescale公司针对ZigBee应用推出的片上封装解决方案，芯片集成了标准的ARM内核、2.4GHz射频收发器，并在开发环境中提供了ZigBee 2007/PRO协议栈。为了更好地适应低功耗开发，MC13224V设有低功耗工作模式Hibernate、Doze。

4.2 节点主板的设计

（1）协调器主板

协调器主板完成状态指示、供电、显示、串口通信、下载编程、I/O扩展等辅助功能。主板可通过RS232串口转换电路实现PC机与网关节点间的数据传输。

（2）盲节点主板

因为受到应用环境及设备体积等其他客观条件的影响，其供电受到限制，不便于持续以有线方式供电，用电池供电使系统体积小巧且便于携带。因此，电源部分采用3.0V钮扣电池，电池电量通过芯片内部集成ADC进行监测。

节点的硬件实物图如图4、图5所示。

图4 协调器节点（参考节点）硬件实物

图5 盲节点硬件实物

5 节点的软件设计

5.1 软件流程

对于MC1322x来说，FreeScale公司提供了Beekit软件开发环境用以辅助开发。该软件免费提供了BeeStack协议栈，可以生成不同应用模板。BeeStack协议栈为非抢占式轮转查询式操作系统，已经编写了从MAC层（macEventLoop）到ZigBee设备应用层（ZDapp_event_loop）五层任务的事件处理函数。开发者一般情况下只需要编写应用层的任务和处理函数即可。

系统定位过程是盲节点将周围一跳范围内参考节点的LQI通过协调器虚拟串口传送到管理终端，然后管理终端机进行计算并将结果显示在一定的图形画面上。因此，必须实现整个无线网络的通信，通信流程如下：

（1）协调器节点建立网络。管理终端发送相应的配置参数到无线网络，如盲节点的休眠时间。

（2）盲节点广播一定次数（如60次）特定格式的报文，用于请求获取LQI，并设定报文的跳转次数为1。

（3）参考节点从接收到盲节点LQI请求的报文，提取收到报文的LQI。考虑到LQI有一定的波动性，将LQI按高斯概率模型预处理后作平均，处理后的LQI发送给盲节点。

（4）盲节点将接收到LQI发送给主节点。

5.2 盲节点的低功耗设计

盲节点主要用于定位功能，定位功能主要是发送LQI广播命令，要求参考节点将提取的LQI发送回来，然后接收并打包LQI，其软件流程如图6所示。被定位的终端节点多采用电池供电，在设计过程中要尽量采取降低功耗的措施。软件低功耗设计的主要目的就是结合实际系统情况，充分利用MCU的各种低功耗特性来降低系统功耗。主要从两个方面进行考虑：

（1）设定盲节点定期转为休眠状态，并定期唤醒。使节点大部分时间处于休眠状态，处于休眠状态的节点关闭无线通信模块、传感模块以及MCU部分电路，只保留MCU内部定时器和中断。节点进入休眠状态时开启定时器，定时器到时唤醒节点，进行新一轮的定位。

（2）关闭一切不必要的外设，尽可能降低功耗。

6 管理终端监控PC机软件设计

节点定位系统主要用于实施监测盲节点的位置，实现对盲节点的监控。监控软件采集定位信息，通过相应的算法，计算出盲节点的位置，然后显示在监控界面的坐标图上，因此定位软件实现的主要功能如下：

（1）节点参数设置；

（2）设置定位区域的坐标及背景图片；

（3）定位数据存储；

（4）实时显示盲节点；

（5）场景模型选择（模型的测距参数可以来自于现场测试或类型场景）。

图6 盲节点的定位流程

软件采用Visual basic编写，其界面如图7所示。图形部分为实时数据显示区域。当定位网络组建成功后，可以用PC软件来设定节点的类型（参考节点或盲节点）、发送功率、定位频率等。参数设置关闭后，再通过PC机或节点本身的按钮来启动节点的跟踪定位。图7中四角略大的圆点表示的是参考节点，中间略小的圆点表示的是盲节点。

图7 PC软件界面

7 结语

本文研究实现了一种面向室内公共场所的无线高精度定位系统。该系统主要应用在机场、商场等室内公共场所及仓库、超市、货场等场所，给需要定位的对象配置一个终端设备，这样可以根据终端设备发出的信息，方便快捷地找到所需的位置信息，也可以提供更高层次的服务。

[1] 朱剑，赵海，张希元，等. 基于LQI量度的无线链路质量评估模型[J].东北大学学报（自然科学版），2008，29（9）：1262-1265.

[2] 徐国艳，孙劭轩，王江锋，等. 一种基于LQI的道路车辆定位方法实现[J].公路交通科技，2010，27（4）：122-126.

[3] 李娟，唐小超，葛立峰. 基于CC11O1射频技术的室内超声定位系统[J].自动化与仪表，2009，6：1-4.

[4] 王洋，王忠. 基于CC2431的无线定位系统[J].通信技术，2009，42（9）：190-192.

[5] 李同松. 基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现[D].大连理工大学，2008.

[6] 魏斌，虞致国，等.局部无线定位系统中的高精度定位算法研究[J].电子与封装，2011，11（8）：25-28.