基于ZigBee 的測距系統(tǒng)實驗設(shè)計

陳旻哲 鄔洪波 徐靜雅 謝雨婷 熊誠

（1、武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072 2、華為技術(shù)有限公司武漢研究所，湖北武漢 430074 3、武漢大學(xué)信息中心，湖北武漢 430072 4、華中師范大學(xué)信息化辦公室，湖北武漢 430079）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的逐步發(fā)展，越來越多的工程實際問題都需要運用到相關(guān)知識。從近年來電子信息類學(xué)科競賽也可以看出，不僅是相關(guān)技術(shù)更頻繁地出現(xiàn)在賽題之中，而且物聯(lián)網(wǎng)類大賽也越來越受到師生的重視。因此，在新工科教育的背景下，十分必要在實驗教學(xué)過程中加強相關(guān)技術(shù)的實踐訓(xùn)練，與時俱進地提高學(xué)生的工程實踐能力[1-3]。本文設(shè)計了一個基于ZigBee 的測距系統(tǒng)實驗項目，該實驗項目涉及到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件制作、節(jié)點間基于ZigBee 的測距通信交互設(shè)計、節(jié)點的嵌入式軟件實現(xiàn)、PC 端上位機實現(xiàn)等知識技能，是一個綜合設(shè)計型的實驗項目，既能鍛煉學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)能力，也能提升學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本實驗項目的系統(tǒng)框架如圖1 所示。系統(tǒng)由基于ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和PC 端距離計算平臺組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為基站、移動標簽和錨節(jié)點三種角色，三者的硬件電路相同，通過加載不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能?；臼紫葎?chuàng)建一個基于ZigBee 的無線網(wǎng)絡(luò)，移動標簽和錨節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)后會各被分配一個用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信的短地址。移動標簽主動向錨節(jié)點發(fā)起測距，并根據(jù)信號發(fā)送和接收時刻計算出信號在兩節(jié)點間的飛行時間（TOF，Time of Flight），然后將TOF 發(fā)送給基站，基站通過串口將TOF 發(fā)送給距離計算平臺。距離計算平臺利用TOF 測量值計算出節(jié)點間的距離，并實時刷新顯示測距結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)框架示意圖

2 節(jié)點硬件設(shè)計

本設(shè)計選用JN5168-001-M03 模塊進行節(jié)點的硬件電路設(shè)計，該模塊內(nèi)部是超低功耗的高性能無線微控制器JN5168。JN5168 自帶了用于TOF 測距的飛行時間引擎，通過較為簡單的配置和調(diào)用，即可實現(xiàn)兩個節(jié)點之間的距離測量。節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 節(jié)點硬件框圖

為了方便節(jié)點的攜帶和部署，節(jié)點采用電池供電和USB 供電兩種供電方式，不同角色的節(jié)點可自由選擇合適的供電方式。采用FT232RL 芯片實現(xiàn)JN5168 微控制器與PC 端的串口通信以及程序下載。在FT_Prog 軟件中修改FT232RL 的EEPROM，將CBUS2 和CBUS3 引腳的功能變成I/O MODE，將JN5168 的RESETN 和SPIMISO 引腳分別接到FT232RL 的CBUS2 和CBUS3 引腳上，RESETN 引腳同時連接一個復(fù)位電路，復(fù)位信號與MISO 信號協(xié)作能夠使得JN5168 能夠進入編程模式，然后PC 端就可以通過Flash Progtammer 對JN5168 進行程序下載。此外，設(shè)計了LED 和按鍵方便學(xué)生實驗交互。節(jié)點的電路實現(xiàn)采用轉(zhuǎn)接板和底板結(jié)合的模式。在轉(zhuǎn)接板上將JN5168-001-M03 模塊可能被用于其他功能的引腳都引到底板上，為學(xué)生實驗的擴展設(shè)計提供了硬件基礎(chǔ)，同時轉(zhuǎn)接板的可插拔特性使得JN5168-001-M03 模塊的課堂重復(fù)利用率更高，節(jié)約實驗耗材資源。學(xué)生需要在萬用板上實現(xiàn)底板電路，能夠鍛煉學(xué)生的電子制作和電路實現(xiàn)能力。

3 軟件程序設(shè)計

3.1 嵌入式程序設(shè)計

嵌入式端的程序設(shè)計按設(shè)備角色分為三部分[4]。如圖3（a）所示，基站負責創(chuàng)建ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和向PC 端轉(zhuǎn)發(fā)距離測量結(jié)果。如圖3（b）和3（c）所示，標簽節(jié)點和錨節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)并獲得16位短地址之后，即可開始測距。圖3（b）和3（c）中給出的參考測距方案是標簽節(jié)點主動向錨節(jié)點發(fā)送測距請求，錨節(jié)點接收到測距請求后與標簽節(jié)點完成測距交互，標簽節(jié)點負責將其與錨節(jié)點之間的信號飛行時間測量值轉(zhuǎn)換成距離測量值，并將距離測量結(jié)果發(fā)送給基站。學(xué)生在實驗過程中可以參考圖3 中的測距方案設(shè)計嵌入式端的程序，也可以從效率和穩(wěn)定性的角度出發(fā)設(shè)計其他測距方案。其中具體的基于TOF 的測距算法，學(xué)生可以選用雙程測距（Two Way Ranging, TWR）算法、對稱雙邊雙程測距（Symmetric Double-Sided Two Way Ranging, SDS-TWR）算法、單邊非對稱雙程測距（Single-Sided Asymmetric Two Way Ranging, SSA-TWR）算法[5-6]或者創(chuàng)新性地提出某種優(yōu)化算法，并且在本系統(tǒng)中實現(xiàn)并測試該優(yōu)化算法的性能。

圖3 嵌入式端主程序流程圖

3.2 距離計算平臺程序設(shè)計

PC 端的距離計算平臺的主程序流程圖如圖4 所示。距離計算平臺通過串口成功接收來自基站的數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)協(xié)議解析數(shù)據(jù)幀，并存儲原始的TOF 測量值，然后將TOF 測量值轉(zhuǎn)換成距離測量值。學(xué)生在搭建起了基于ZigBee 的測距系統(tǒng)的硬件平臺和軟件平臺之后，即可制定測試方案初步測試系統(tǒng)的測距性能，在實驗測試中得到大量的測距數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進行整理和分析，選用濾波、曲線擬合等算法[7-8]對原始距離測量結(jié)果進行處理，最終將能夠有效減小測距誤差的算法反過來運用到距離計算平臺中，使得最終實時刷新顯示在UI 上的測距結(jié)果更加準確。

圖4 PC 端距離計算平臺的主程序流程圖

4 系統(tǒng)方案測試

為測試本實驗系統(tǒng)方案的可行性，在實驗室外的長走廊上進行了測距實驗。采用定點測距的方式，將錨節(jié)點的位置固定，用市面上的標準卷尺標定出與錨節(jié)點相距5m、10m、15m、20m、25m、30m 的位置點，依次在這些位置點放置標簽節(jié)點，每個距離點測試200 次。將每個位置點的200 次距離測量結(jié)果求平均值，統(tǒng)計在表1 中，可以看出，本實驗設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)基于ZigBee 的測距功能，且測距絕對誤差能夠小于3m。

表1 定點測距結(jié)果統(tǒng)計表(m)

5 結(jié)論

本文設(shè)計了基于ZigBee 的測距系統(tǒng)實驗項目。該實驗項目涵蓋了硬件制作、軟件編程、實驗測試、結(jié)果分析等任務(wù)要求，通過一整套較為完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)流程提高學(xué)生的綜合實踐能力和解決實際復(fù)雜工程問題的能力，適用于物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電子系統(tǒng)綜合設(shè)計等實驗課程。多樣的測距方案、測距算法和誤差修正算法，學(xué)生可以查找資料研究和探索各方案和算法的特點，靈活地選擇系統(tǒng)的設(shè)計方案，為培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習能力和創(chuàng)新實踐能力提供了很好的平臺。