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[资料] 一种改进的ZigBee老年人定位系统设计

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发表于 2020-7-7 14:56:22 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市南山区
ZigBee 是一种基于 IEEE 802.15.4 标准的低功耗局域网协议,具有高性能、低成本、低功耗等特点,并可以实现带有路由的组网功能。定位系统以 CC2431 单片机为核心,使用 RSSI 定位算法实现了定位功能。介绍了一种 ZigBee 无线定位系统,并阐述了系统的硬件组成、软件实现和定位方法。最后根据实际应用的需要对系统进行了改进,添加了老年人求助和警告功能。

ZigBee技术
ZigBee技术在最近几年发展十分迅速,被广泛应用在家庭控制、电器遥控、智能能源管理和工业自动化等领域[1]。ZigBee 网络是一种新兴的短距离无线通信网络,是由可多达 65 000 个无线传输模块组成的网络平台。在整个网络范围内,各个模块之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从 64 米到扩展后的几百米,甚至几公里[2]。现阶段以煤矿检测、楼宇自动化控制、家庭自动化控制[3]与仪表控制为应用重点。ZigBee 技术将紧密迎合物联网方向趋势的发展,朝着开发片上系统 (SoC,System on a Chip)、更多规范、更廉价、更省电、更快速等方向发展。
随着中国老年人人口数量的逐年增加,老年人的看护工作也得到越来越多人的重视。但随着老年人寿命的延长以及子女数量的减少,老年人看护工作变得越来越困难。改进的基于 ZigBee 的老年人定位系统体积小,可携带在老年人身上,使其在居民区、养老院、医院等地方随意活动;同时可以接收由老年人在特殊情况下发出的求助信号,管理人员可以及时找到老年人位置并帮助解决问题。系统的定位功能使用信号接收强度[4](RSSI,Received Signal Strength Indicator)算法,该算法分辨率高、灵敏性好、误差范围小。

ZigBee网络
随着ZigBee网络协议的逐步完善以及物联网等外部环境的带动,ZigBee 技术的发展越来越迅速。
基于ZigBee的无线传感器网络与其他无线网络相比具有低数据传输率、低功耗、低成本、网络容量大、工作频段灵活等特点[5]。
ZigBee 协议栈结构如图 1 所示,它是基于标准的开放式系统互联(OSI,Open System Interconnect)七层模型。IEEE 802.15.4 标准定义了两个较低的层:
物理层(PHY,Physical layer)和媒体访问控制子层(MAC,Medium Access Control),ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层和应用层构架。应用层构架由应用支持子层、支持 ZigBee 的设备对象和自定义的应用对象组成。

ZigBee协议栈结构

ZigBee协议栈结构

ZigBee 网络层可以支持星型、树型和网状型等网络拓扑。在星型拓扑中,网络由 ZigBee 协调器控制,它负责发起和维护网络中的设备,并直接与终端设备通信。在网状和树型拓扑中,ZigBee 协调器负责启动网络,选择关键的网络参数,同时网络可以通过 ZigBee 路由器进行扩展。在树型网络中,ZigBee 路由器使用分级路由策略在网络中传送数据和控制信息;网状网络允许全双工的点对点通信。

定位系统的设计
定位系统中的节点包括网关、参考节点以及定位节点 3 种。其中网关作用相当于 ZigBee 网络协调器,负责整个无线定位网络的服务、协调。参考节点为坐标已知的节点,并且其物理位置是固定不变的。定位节点为移动节点,其位置可随时变化,具体坐标由 CC2431 的定位引擎通过接收参考节点的坐标及 RSSI 值经过定位算法计算而得到。

系统网络
将参考节点均匀放置在小区内并保持位置不变,保证每 100 平方米范围内至少有 3 个参考节点,这使得老年人在小区内活动时处在监控定位的范围内,可以随时查看老年人的位置。定位网络具有可扩展性、高兼容性和自恢复性等特点[6]。定位系统网络结构如图 2 所示。

定位系统网络结构

定位系统网络结构

参考节点先向定位节点发送本节点的坐标,定位节点收到参考节点的信号后,根据信号的强度,计算出与每一个参考节点的距离,然后根据每个参考节点的坐标,计算出本身的坐标并发送给网关节点。网关节点在接收到坐标信息后,将定位节点的位置在监控软件中显示出来。网关收到的信号里只含有定位节点的位置信息,而不包含所有用于计算的数据,这大大减少了网络传输的数据量,减小了系统反应时间。

节点设计
系统设计的所有节点均以 CC2431 单片机为核心构成。CC2431 是 TI 公司推出的用以实现嵌入式ZigBee 应用的片上系统,它内置了 ZigBee 协议栈,并包含 Motorola 公司的定位检测核心。采用该核心,可以实现 0.25 m 的定位分辨率和 3 m 左右的定位精度,并且定位时间小于 40 μs。CC2431 单片机的内核是一个增强型 8051,具有 8KB RAM 和 128KB 闪
存等高性能模块,还包含 1 个模数转换器(ADC)、32 kHz 晶振的休眠模式定时器以及 21 个可编程的I/O 引脚[7]。
系统基本硬件连接电路如图 3 所示。

系统基本硬件连接电路

系统基本硬件连接电路

连接 PCB 天线的部分主要由电感和电容构成,其中电感 L100 和 L101 还同时为芯片内部的低噪声放大器以及功放提供直流偏置,XTAL1 为一个等效串联电阻小于 60 Ω 的 32 MHz 晶振,电阻 R102 为其建立精确的偏置电路,去耦电容 C104 和 C105 用于电源滤波,向电压调节器提供稳定的核心电压。


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发表于 2020-11-11 16:37:41 | 显示全部楼层 来自 湖南省长沙市
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发表于 2021-3-23 16:34:52 | 显示全部楼层 来自 四川省成都市
学习学习
发表于 2021-4-16 21:00:14 | 显示全部楼层 来自 河南省
非常感谢
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发表于 2021-7-28 17:33:25 | 显示全部楼层 来自 上海市浦东新区
谢谢分享 学习学习
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