基于Zigbee技术足球跑位监控系统

项亮亮, 齐贵宝, 李小龙, 宋占伟

(吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012)

0 引 言

近几年, 随着现代无线移动通信技术和各种传感器技术的蓬勃发展, 人们对推出无线定位产品的渴望与日俱增。无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)[1]的诞生使以上问题得到很好的解决。无线传感器网络大多由许多小型传感器节点构成, 而这些网络节点本身就具备数据计算和数据通信的功能, 节点之间通过无线电波的方式进行相互通信协作而组成一个可以互联的网络系统。一般最终都会把数据上传至一台PC(Personal Computer)服务器终端, 以便更好实现对周围环境或被监测对象的数据处理和反馈[2]。笔者采用Zigbee网络技术搭建硬件平台的新型无线传感器网络, 在足球场被监控范围内实现了信息的连续稳定采集和传输。该系统可用于监测运动员的场上跑动位置以及起跑反应等身体素质参数, 研究对运动员的定位功能, 即通过无线网络传输实现监控中心对运动员定位技术的实现。该系统不仅设备简单, 施工方便, 成本低, 实用性好, 并且通过采用无线的方式, 具有相当好的扩展性和十分广阔的应用前景。

1 整体系统设计

图1 系统原理模拟图

一位优秀的足球运动员不仅要具备出色的身体素质, 更加需要能领会教练员所布置的战术跑位。该课题旨在初步研究Zigbee无线传感网络在足球训练中的应用, 因此选取了场上运动员战术跑位作为研究对象。

场上运动员能否根据教练布置的战术成功地执行并贯彻是检验一名球员是否合格的基本要求之一。通常以球员实际的跑位情况、 根据球场变化执行相应的应变战术能力和随机应变能力作为这项考核内容的评价指标。

为统计分析运动员在场上的跑动情况, 笔者设计开发了Zigbee无线网络定位系统, 整个系统的原理模拟图如图1所示。

1.1 系统硬件设计

笔者采用Zigbee技术构建无线通信网络。其中主要核心芯片有CC2430/CC2431。CC2430/CC2431是为了能实现嵌入式Zigbee应用的片上系统, 由Chipcon公司推出[3]。由于支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/Zigbee协议, 故可以利用该特性构成费用相对较低的Zigbee节点。这款芯片非常符合超低功耗的系统场景, 利用可运行多种模式的短暂转换时间, 以确保系统的低功耗。硬件电路设计由无线通信接口模块和功能模块组成[4]。

无线通信接口模块可以实现模块之间信息数据的收发, 也是整个硬件平台的核心组成部分。其中功能模块主要由电源电路、 串口电路、 指示电路以及按键电路构成[5]。

笔者选用网络拓扑中最基本的星状无线网络系统[6]。由于CC2430与CC2431的引脚兼容, 所以本节所涉及的设计同样适用于CC2431。系统的参考节点RN(Reference Node)采用CC2430芯片, 盲点BN(Blind Node)采用CC2431芯片, 但这两种设备的芯片外围设计(PCB: Printed Circuit Board)是完全一致的。CC2430的具体构成框图如图2所示, 其原理图如图3所示。

图2 CC2430架构示意图

图3 CC2430典型原理电路图设计

1.2 系统软件实现

采用IAR EW(Embedded Workbench)的C/C++交叉编译器和调试器, 它有更多的服务功能, 同时界面友好[7]。EW可为多种MCU(Micro Control Unit)提供服务。同时, IAR System的C/C++编译器生成的可执行代码高效可靠。能对该款芯片提供优化技术。这种优化技术基于最新技术架构, 能生成更为紧凑的代码[8]。

笔者选择CC2430作为系统的协调器模块。

协调器在整个设计中的作用十分重要, 因其不仅要接收来自上位机监测软件发送的所有参考节点和移动节点的配置信息, 还需要针对各种方式给对应节点发送。完成后, 协调器还要负责回收每个节点所提供的回馈有用信息[9]。同时再反回上位机中的监测软件, 以便于进行数据处理[10]。

图4 协调器工作流程图

对于参考节点, 其职责主要是负责给定位节点提供一个信息包, 包中含有的信息集成了节点自身位置信息X、Y坐标值和发射的RSSI(Received Signal Strength Indication)值[11]。其中这些参考节点的位置坐标值都是固定的, 而且节点的位置必须被正确地配置在定位区域中。其工作程序流程图如图4所示。

这里给出协调器处理各个节点数据的主要函数内容[12-13]：

Static Void LocDongle _ ProcessMSGCmd(afIncomingMSGPacket_t*pkt)

{

……;

If(HalUARTWrite(SPI_MGR_DEFAULY_PORT, buf, 11))

{If(HalUARTWrite(SPI_MGR_DEFAULY_PORT,pkt→

cmdData, cmd.DataLeng)

……;

}

……;

}

参考节点将给出参考节点对数据信息处理的重要函数

static void processMSGCmd(afIncomingMSGPacket_t*pkt)

{

Switch( pkt→clusterId)

{

case LOCATION_XY_RSSI_REQUEST://0x0011 XY_RSSI请求

rssiRsp(pkt); break;……;

}

……;

}

移动节点中实现定位的基本核心算法推断思路： 设发射模块发射功率为Pf, 接收模块接收功率为Ps, 两模块之间的直线距离相隔为L, 传播因子为n。根据RSSI测距原理, 随距离的增加传播信号强度有规律地衰减, 则发射功率与接收功率的关系可表示为Ps=Pf/Ln, 采用对数距离路径损耗模型, 对等式两边取对数10lgPs=10lgPf-10nlgL。发射模块的发射功率Pf是个常数[14]。假定10lgPf为A, 则可写成10lgPs=A-10nlgL, 接收信号强度记为RSSI, 可推断出计算公式RRSSI=A-10nlgL(单位为dBm), 通过对数学公式的等价变化, 得出：L=10(A-RRSSI)/(10n), 即为距离公式[15]。

2 调 试

在调试阶段, 笔者主要做了以下工作：

笔者在学校篮球场范围内设立了一个16×16的测试区域, 在该测试范围内共安置6个参考节点。其位置坐标分别设置为：A(0,4)、B(0,8)、C(0,12)、D(4,0)、E(8,0)、F(12,0)。同时, 让3个移动节点(分别记做a、b、c)在测试区域内随意走动, 另外, 通过上位机监测软件即可对移动节点进行定位跟踪分析。同时, 能在软件中显示定位后的估计位置, 记为a1,b1,c1。图5和图6分别给出了在某一时刻T移动节点的位置分布以及定位估计位置。表1给出了节点实际位置与估计位置坐标的对比。同时, 对测试结果进行了误差精度定位, 其公式如下

图5 某T时刻移动节点实际位置分布图 图6 某T时刻移动节点估计位置分布图

表1 T时刻节点实际与估计坐标对比

3 结 语

笔者基于无线Zigbee技术, 通过无线定位的方式成功地模拟了在一个监控环境内快速便捷的目标定位系统。实验测试表明, 数据流能快速准确地被传输到上位机终端并通过监控软件显示, 系统工作稳定, 达到了既定目标。

参考文献：

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