作者:艾春丽，张凤登，刘荣鹏
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随着建筑智能化的提高，人们不再满足于仅仅利用摄像设备对建筑物内的人或物进行跟踪监控。因此，基于无线的定位技术正在悄然兴起。这项技术不仅可以跟踪目标，监控目标的行动路线，还可以预测目标的前进轨迹，这是传统的摄像监控系统无法实现的。这个定位系统涉及从底层硬件到顶层软件的多项技术。本文只重点研究无线定位部分的硬件和软件。
无线跟踪系统的关键是如何定位。目前比较成熟的无线定位技术是GPS，但是这种技术不能用在建筑物上，所以我们需要寻找一种新的定位方法来达到我们的目的。这里，我们选择基于接收信号强度(RSSI)的信标定位技术。大部分射频芯片都能拿到RSSI，但考虑到整体性能，我们采用了全球免授权频段的低功耗2.4 GHz射频芯片CC2500，这是Chipon推出的。它体积小，易于操作，采用三线式SPI。与MCU通信，每次接收信号后能自动产生RSSI，方便上层完成定位。
cc2500芯片介绍
2.1总体性能
他的主要特点是:
(1)体积小，外围电路简单。CC22500仅采用20引脚、4×4 mmQLP封装。与其他射频芯片封装相比，这种封装更易于手工焊接。
(2)高灵敏度、低功耗、速度可调。CC2500与几种常用的2.4 GHz射频芯片的对比如表1所示。表中未标明速率的数据是在250 KB/s的数据传输速率下获得的
(3)CC2500硬件支持分组数据处理。接收数据时，具有缓冲、信息同步字自动检测、地址检测、信息长度分析和CRC校验功能，支持前向纠错，内部集成温度传感器。
2.2 WOR函数
为了省电，射频芯片通常采用睡眠模式。芯片进入睡眠状态，必然会丢失信息。CC22500的WOR(无线唤醒)功能可以很好地避免这种情况。WOR功能确保芯片在深度睡眠期间会定期醒来，并监听周围的信号。这个过程不需要CPU中断。如果成功接收到数据包，芯片可以通过引脚输出中断通知MCU读取该数据包。使用WOR功能时，片内RC时钟用作WOR时钟。溢出的周期时间可以通过编程来确定。
2.3 RSSI和LQI功能
RSSI反映了接收信号强度，LQI反映了信号连接质量，两者都可以通过读取芯片的寄存器获得。LQI可以判断连接质量，但不同的调制方式会有所不同。
RSSI是判断两个节点之间距离的一个很好的参数。从RSSI寄存器中读取值后，我们需要进行一系列转换来获得接收强度值。首先，判断RSSI寄存器中的RSSI dec值是否大于128，如果是，则:
如果小于128，则:
其中，RSSI偏移随不同的数据传输速率而变化，其值可参考文献。
2.4 CCA功能
CCA(空闲信道评估)可以指示当前信道是否处于空空闲状态。它的功能类似于CSMA。当芯片要切换到传输模式时，会先检查通道，只有通道空空闲时才进入传输模式，否则会停留在原来的模式或者通过编程进入其他模式。有三种情况可以触发CCA功能:
(1)当RSSI低于阈值时；
(2)当接收到数据包时；
(3)以上两种都有。
2.5传输功率计
CC2500的功率表用于设置每次发送的发送功率，其中最多可以存储8个字节的功率值。默认情况下，每次发送时，从最低位功率值开始读取，一次读取一个字节。当读取最后一个字节时，它会自动返回到第一个字节。如有必要，可编程设置不会从第一个字节开始读取，以便调整发射功率。
3跟踪算法
3.1定位算法
所谓的跟踪轨迹，其实就是几个定位结果按照时间顺序的集合。所以如何定位很重要。目前常用的定位技术，如基于精确测距和质心算法的定位方法，可以在空开放环境下精确完成定位，但在建筑物内部相对效果较差。实验表明，基于上述方法定位轨迹将是跳跃的而不是连续的。在建筑物内定位有一个好处，就是要定位在里面的目标对活动空有一定的约束。比如一个人在走廊里行走，只能向前或者向后移动，两边都有墙，这样就走不动了，所以他的轨迹其实是遵循一定规律的。因此，可以整合建筑物内部的位置信息进行定位。
考虑到上述应用需求和环境，我们借鉴了文献中的雷达系统，采用了基于RSSI技术的室内定位系统。但改进了测试方法，用信标定位代替了基站定位。
系统中有两种节点:一种是位置完全已知的信标节点；一个是要测量其位置的目标节点。经测试，我们基于CC2500硬件的节点在建筑内的极限传输距离约为60 m(最大传输距离受PCB板射频部分走线影响)，所以为了准确起见，信标间距为20 m，如果两个位置之间有墙或障碍物，则必须放置两个信标，不遵守上述规则。当然，信标越多，定位越准确。目标节点周期性地发出信号。信标收到目标节点的信号后，获取信号强度值RSSI，根据强度值计算目标节点的位置，然后将定位信息发送给基站，完成定位工作。
建筑物定位算法通常有两种:基于信号传输的经验模型和基于信号传播的理论模型。后者的精度受建筑材料影响较大，最后需要大量的实验修正，所以我们采用信号传播的经验模型。首先放置信标。并给出它的坐标。设两个信标间距离的一半为D(m)，若两个信标间有障碍物，则将信标与障碍物间的距离定义为D，利用目标节点在距离D内移动，得到各点位置的RSSI，建立各点位置与信号强度关系的离散数据表(X，Y，RSSI)。同时，要注意保证目标节点在每一点都会有用于定位的信标节点。可视系统的定位精度:
其中(x1，y1，RSSI1)和(x2，y2，RSSI2)是离散数据表中相邻的两个数据。
定位时，信标查找表进行定位。当目标节点的信号小于表中的最小阈值RSSI时，它将被直接丢弃，其他信标将定位它。
3.2聚类路由算法
信标得到目标节点的位置后，需要将位置信息发送给基站，基站进入监控软件系统。建筑物中的信标数量非常多。如果没有选择好的路由算法，很容易导致信息的丢失和误码率的增加。我们采用分簇路由算法，有利于分布式算法的应用，适合大规模网络。簇头节点承担数据融合的任务，可以大大降低整个网络的数据传输量，在使用电池电源的情况下，还可以显著延长整个网络的生命周期。
所有信标节点被固定地分成若干簇，每个簇选择一个簇头节点。在选择簇头节点时，应注意选择远程位置的信标节点。这种信标定位工作相对较少，不容易造成定位和传输的冲突。分簇主要基于地理位置，每个簇中的节点数量不需要相同，这有助于避免数据发送到基站时发生冲突。簇头节点负责为簇内所有信标节点分配时隙，每个信标节点在自己指定的时间向簇头节点发送定位信息。簇头节点收到来自簇内所有节点的信息后，将其合成，汇总成一帧数据发送给基站。在该帧中，所有信标的定位时间差被忽略为相同时间的定位信息。
比如使用一次2s定位，有一个5节点的簇，簇头节点为每个节点分配的时隙可以是300 ms，传输速率为250 kb/s的CC2500可以在这个时隙内完成定位和数据传输。这可以为簇头节点留下大约800 ms的数据融合和数据传输时间。信标数据融合的过程如图1所示。
数据上传到基站后，基站通过网口上传到电脑的监控软件。监控软件以图形方式显示节点的位置，如图2所示。
4个结字
实验表明，CC2500能够很好地完成系统中的定位工作，但这种定位方法比较简单，不够精确，其精度主要取决于系统形成前RSSI数据表的精度。由于整个测量过程具有相当大的随机性和主观因素，通常无法达到理想水平。如何减少这种主观因素，如何减少之前的工作量，还需要进一步探索。
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