2012 年第 10 期，第 45 卷 通 信 技 术 Vol.45，No.10,2012 总第 250 期 Communications Technology No.250,Totally 一种改进的 ZigBee 老年人定位系统设计 张景顺， 秦文华， 赵建平 （曲阜师范大学 物理工程学院，山东 曲阜 273165） 【摘 要】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。 【关键词】定位；求助；ZigBee 技术；接收信号强度指示 【中图分类号】TP277 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2012)10-0078-04 An Improved Design of Elderly People Location System based on ZigBee ZHANG Jing-shun， QIN Wen-hua， ZHAO Jian-ping (College of Physics Engineering, Qufu Normal University, Qufu Shandong 273165, China) 【Abstract】ZigBee is a low-power local area network protocol based on IEEE 802.15.4 standard and featured high-performance, low-cost and low power-consumption, and could implement the networking with routing functions. The location system takes CC2431 as the core and realizes the location function with RSSI algorithm. The paper gives the design of location system based on ZigBee and expounds the hardware components of system, software implementation and location method. Finally based on the practical applications, the elderly people help-warning function is added to this system. 【Key words】location; seeking help; ZigBee technology; received signal strength indicator 0 引言 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 收稿日期：2012-04-12。 作者简介：张景顺（1986-），男，硕士研究生，主要研究 方向为无线通信；秦文华（1968-），男，副教 授，主要研究方向为信号处理；赵建平（1964-）， 男，教授，硕士生导师，主要研究方向为无线 通信。 78 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。 1 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。 图 1 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。 2 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。 2.1 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。 图 2 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。 2.2 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。 C100 10 0 nF C115 22 0 nF VDD_3 .3 V C104 22 0 nF C101 10 0 nF 20 41 7 47 42 48 46 45 9 8 6 5 4 3 2 1 11 12 13 14 15 16 17 18 CC2 430 DVDD1 DVDD2 DVDD3 DVDD4 DVDD5 P2 .0 P2 .1 /DC P2 .2 /DD P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6 P1 .7 P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P0 .4 P0 .5 P0 .6 P0 .7 VDD_3 .3 V 1 00 0R 10 RESE_N C107 0.1 uF GND E1 00 PCB C102 10 0 nF C112 5.6 pF L1 02 1.8 nH C113 10 0 nF C103 68 p F 8.2 nH L1 00 L1 01 22 n H C111 Y100 32 .7 68 1 kHz 15 p F C110 15 p F X100 AVDD1 AVDD2 AVDD3 AVDD4 AVDD5 AVDD6 AVDD7 AVDD8 AVDD9 AVDD10 AVDD11 AVDD12 RF_P TXRXW RF_N 32 K_ 2 32 K_ 1 32 M_1 32 M_2 BASI1 BASI2 AV1 .8 V RFG_IN 40 39 38 37 36 35 31 30 29 28 27 25 32 33 34 43 44 21 19 22 26 24 23 32 mHz C108 27 p F C109 27 p F R101 43 0 00R R102 54 0 00R VCC_3 .3 V C106 22 0 nF VCC_1 .8 V C105 22 0 nF 图 3 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。 2.3 定位方法 系统定位功能使用 RSSI 定位算法，它是一种通 过接收信号的强弱计算定位节点与各个参考节点间 的距离，进而根据相应坐标数据进行定位计算的定 位算法。 假 设 系 统 定 位 的 范 围 限 制 在 （ minx , maxy , miny ）、 ( maxx )之间，那么 4 个搜索边界的参数为 minx 、 deltax 、 miny 、 deltay 。其中 deltax ， deltay 为定位范围的 宽度和长度： 79 

= = x max y x deltax − ， (1) min y deltay − 。 (2) 信号在各个节点之间传递时，参考节点发射信 max min 号强度的衰减与 nd 成正比： x min )%( 1 x delta RSSI = − (10 × × n lg ++ )1 d A ) + LOCX ( LOCY [8]， (3) 式中， n 为信号传播衰减常数，其值大小可根据具 体环境调节； d 是定位节点和参考节点的距离，其 大小可根据 RSSI 值算出； A 为距参考节点 1 m 时的 参考节点发射信号的强度，A 的大小需要实际测量。 根 据 上 式 计 算 出 定 位 节 点 的 坐 标 （ LOCX , LOCY ），然后进行去偏差处理，最后得到的坐标值 为（ X , Y ），其中： + ， (4) X − = 。 (5) Y = 具体定位过程为：16 个参考节点首先将各自的 坐标值( 0x , 15y )发给定位节 点，定位节点接收到 16 组信号强弱不同的坐标值， 其中信号的强弱即为 16 个 RSSI 值。然后定位节点将 22 个参数[ A , n , minx rssi ,…, rssi ]存入 RF 寄存器 MEASPARM 中，启用定位算 法（见式（3）），计算出本身的坐标值（ LOCX , LOCY ）， 分别放入坐标寄存器中。最后经过坐标偏差处理并 发送给网关，在监控软件界面中显示出来。在实验 室条件下，实验结果界面如图 4 所示。 1y )，…，( 15x , 0y )，( 1x , rssi , 0 , miny deltay deltax x min 15 , , , 1 度越高。在进行定位计算时，需要填入 16 个参考节 点的坐标数据。如果参考节点数目小于 16 时，定位 节点会将缺少的参考节点坐标值自动补零进行计 算；而参考节点数目大于 16 时，定位节点会选取信 号强度最大的 16 个参考节点的坐标值进行计算。参 考节点的数目不能少于 3 个。 3 定位系统的改进 定位系统的定位功能令人满意，但这并不能满 足人们的需求。由于老年人行动不方便，很多事情 需要他人的帮助或者有时候不小心走出了定位监控 的范围（图 4 中最下方的节点）。针对这两种情况， 对系统进行了改进，增加了警告和求助功能，改进 后的电路如图 5 所示。 图 5 CC2431 定位节点电路 系统改进后的流程图如图 6 和图 7 所示。 图 4 监控软件实验界面示例 在实际测试中，定位范围选取为（0,0），（40,30）， 单位为 m。在定位范围的边界放置 4 个固定的参考 节点，坐标分别为（0,0）、（0,30）、(40,0）、（40,30）， 当定位节点（左侧中间的节点）在定位范围内运动 时，定位节点的位置便可以在监控软件中显示出来。 定位结果误差在 2 m 以内，结果令人满意。 在 ZigBee 网络定位系统中，定位精度与参考节 点的数量有关。一般而言，参考节点越多，定位精 80 图 6 改进后定位节点的操作流程 初始化 网关 加载参考 节点坐标 等待 收到定 位节点 坐标？ 否 是 更新定位 节点坐标 等待 否 收到求 助信 号？ 否 超出定 位范 围? 是 前往 救助 是 发出 警告 图 7 改进后网关的操作流程 在定位节点上，添加设计了按钮 key，在老年人 需要帮助的情况下，按下定位节点上的求助按键。 

定位节点上的求助按键 key 按下后，端口 P1_6 由高 电压变为低电压，这时，定位节点向网关发射信号， 使网关端的 P2_0 端由 0 置 1，激发蜂鸣器发出警报。 监控管理人员可根据监控软件中定位节点的位置前 往救助。 另一方面，网关在收到定位节点坐标并在监控 软件中显示定位节点位置后，会将定位节点的位置 坐标与边界坐标比较。如果老年人的活动范围超出 边界坐标的范围时，监控人员向节点发出警告信号， 使定位节点上的 P2_0 端由 0 置 1，此时定位节点蜂 鸣器发出警示声音，起到警示老年人的作用。 4 结语 针对当前老年人行动不便、看护人员很少的情 况，设计了一种改进的 ZigBee 老年人定位系统，并 重点介绍了系统的警告求助功能。测试实验表明系 统定位准确，且当老年人超出规定区域或求助时报 警功能反应迅速，效果良好；但在有强干扰信号的 地方，如信号发射塔，定位效果变差，定位算法有 待进一步优化。综上所述，系统可有有效的增强老 （上接第 77 页） 限值为-90 dB，当输入信号低于-90 dB 时，已经检 测不出有用信号，文中提出的检测器较单独自相关 检测法的信噪比门限值-38.17 dB 有显著降低。 5 结语 针对生命雷达探测对微弱信号探测能力不强的 问题，文中提出了一种新的综合运用自相关检测和 双稳随机共振模型的微弱生命信号检测方法。该方 法对雷达探测信号的后续处理部分是一个很好的补 充，明显增强了检测的信噪比门限值。文中作者创 新点是利用频移压缩随机共振来进行生命信号的探 测，能更加有效的提取出生命信号，能有效应用于 生命探测雷达的信号处理机部分，从而在地震或矿 难、重症病人的无人非接触监护中发挥重要作用。 其缺点是在 SR 系统中频率的选择依赖于人工，后 续研究中将着力解决这一问题。 参考文献 年人的人身安全，有较广阔的应用前景。 参考文献 [1] 钟永峰,刘永俊.ZigBee 无线传感器网络[M].北京:北京 邮电大学出版社,2011:6-7. [2] 王玉柱,郑文岭,马文丽,等. 基于 ZigBee 的医院病人追 踪 定 位 系 统 设 计 [J]. 微 计 算 机 信 息 ,2010,26(02): 55-56,67. [3] 郑琛,曹斌.ZigBee 技术在智能交通系统中的应用研 究[J].通信技术,2012,45(05):90-92. [4] 宋保业.CC2431 的无线定位引擎及其应用改进[J]. 单 片机与嵌入式系统应用,2008(02):22-24. [5] 刘 岩 . 当 前 六 种 焦 点 近 距 无 线 技 术 综 述 [J]. 厦 门 科 技,2005(03):42-45. [6] 孙东来,吴越,吴天,等. 实用无线网状网的设计、构建 与测试[J].信息安全与通信保密,2009(05):77-79. [7] 张志勇,郭铁梁,李志军. 基于 CC2431 的井下人员跟踪 系统设计[J].通信技术,2009,42(09):117-119. [8] 徐世武,王平. ZigBee 技术中基于 RSSI 测距的定位算法 研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,12(01):1-3. PWVD[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010,48(03):1518-1527. [3] STANKOVIC L, THAYAPARAN T, DAKOVIC M.Signal Decomposition by Using the S-method with Application to the Analysis of HF Radar Signals in Sea-clutter[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2006,54(11):4332-4342. [4] 朱光起,丁珂,张宇,等.基于随机共振进行弱信号探测 的实验研究[J].物理学报,2010,59(05):3001-3006. [5] VOLMAN V, LEVINE H.Activity-dependent Stochastic Resonance in Recurrent Neuronal Networks[J].Phys. Rev. E, 2008,77(06):060903-1-060903-4. [6] 赵柏山,朱义胜.混沌频率调制系统设计[J].通信技术， 2011,44(01):141-143. [7] 胡岗.随机力与非线性系统[M].上海：上海科技教育出 版社,1994． [8] SHAMYANG C, HUANG L. A Hall Sensor-based Three- dimensional Displacement Measurement System for Miniature Magnetically Levitated Rotor[J]. IEEE Sensors Journal, 2009,9(12):1872-1878. [1] LENG Y, WAN T, GUO Y, et a1. Engineering Signal [9] 杨强,山拜·达拉拜.多模噪声背景下信号提取算法的研 Processing based on Bistable Stochastic 究[J].通信技术，2011,44(01):141-143. Resonance[J]. Mechanical Systems and Signal [10] 王丹,闫利.超被动声纳信号检测技术研究[J].信息安 Processing, 2007(21):l38-150. 全与通信保密,2009(09):98-99. [2] WANG Y, JIANG C.ISAR Imaging of Maneuvering Target [11] 郭 志 青 , 潘 峰 . 基 于 解 扩 信 号 信 噪 比 的 处 理 增 益 分 based on the L-class of Fourth-order Complex-lag 析[J].信息安全与通信保密,2010(09):62-64. 81