基于北斗导航芯片和ZigBee的无线终端设计 北斗导航, 无线, 用户

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关键字：北斗卫星导航   ZigBee   间接定位   终端  
北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括向全球免费提供定位、测速和授时服务。目前，北斗卫星系统的建设正按计划稳步推进，目前已成功发射了16颗北斗导航卫星，服务范围覆盖了亚太地区。
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。在无线传感网技术中，最为符合低功耗、低成本、高可靠性要求的当属ZigBee技术。ZigBee技术是一种工作在全球、美国和欧洲3个频段上的无线通信技术，基于无线通信协议。它具有低功耗、低成本、低复杂度、自动组网的特点，主要适合于短距离无线通信、组网、自动控制和远程控制等领域，并可以嵌入至各种设备中。

这两种热门技术特点鲜明，如果将它们结合，即把定位导航技术与短距离组网技术结合，就可以实现更广泛和更复杂的应用，满足对于不同规模和要求的检测、定位、导航等各项需求，方便数据传输，弥补现有技术产品的空白。

1 创新功能

1.1 精确定位

ZigBee节点广泛应用于野外环境勘测、智能交通监控等领域，单纯的ZigBee节点采集的数据是一维数据，孤立的数据不利于分析与决策。如果将采集地的位置信息也一起获取，就可以把采集到的环境信息与位置信息相结合，在汇总、分析时绘制成一个二维的数据地图，更将直观地了解信息的分布状况;而如果再加上精确的时间，就组成了三维的数据体，这样的数据更加综合、全面。

1.2 间接定位

卫星定位通常要求在有天空视野的室外，因而在室内就定位困难。利用ZigBee的间接定位，当周围已经存在了包含定位设备的ZigBee网络时，就可以接入ZigBee网络实现间接定位。相当于在这个区域内任意可接入网络的地点提供了实时间接定位的服务，任何设备都可以透过ZigBee网络获取自己当前的位置信息，这样不仅降低了定位服务的成本，也扩大了定位的应用范围。

1.3 网络授时

ZigBee网络虽然具备低成本、低功耗、高可靠性的优势，但是考虑到网络延时和较低的数据传输速率，因此在系统实时性方面不尽如人意。当ZigBee网络面对的是某种对实时性要求较高的应用时，势必会因为较大的时延，影响数据的精确性。如果采用从北斗卫星导航系统获取的精确时间，然后对全网所有节点校时，那么节点的同步性就得到了提高，从而提高系统的响应速度。

1.4 数据通信

北斗卫星导航系统虽然可以提供精确的时间和位置信息，但是却没有信息的传递能力，ZigBee网络就为这种信息组织提供了一种简便的方式。通过把北斗定位的数据架设于ZigBee网络之中，就可以让位置信息传递起来。

2 北斗+ZigBee终端的系统设计

2.1 结构体系

北斗导航系统与ZigBee网络结构体系如图1所示，主要由ZigBee网络节点和北斗导航节点组成。传感网子网内一般由一个主节点和多个节点组成。主节点主要负责ZigBee网络的组网和网内设备的管理，同时与北斗定位导航模块通信。



图1 北斗-ZigBee网络结构示意图



2.2 硬件设计

在ZigBee节点的设计上，选用Freescale公司针对ZigBee技术推出的MC13213芯片。该芯片是完整的单芯片解决方案，其内部集成了HCS 08 MCU和遵循IEEE802.15.4标准的第二代无线射频收发器，也称为Modem。MC13213能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。其特点是速度快，片内资源丰富。其硬件框图如图2所示。



图2 终端硬件功能框图



北斗定位导航模块以芯星通公司的UM220芯片为核心设计。UM220是针对车辆监控、气象探测和电信电力授时等应用而推出的北斗/GPS双系统模块。单芯片支持北斗BD2/GPS功能，无需外接CPU即可直接输出NMEA数据，支持UART、SPI、1PPS、I2C等多种接口。引脚连接如图3所示，本设计通过TXD3、RXD3分别与MC13213的PTE1(TXD1)、PTE0(RXD1)相连，实现数据通信。



图3 UM220与MC13213连接图3 性能测试

3.1 定位误差测试

间接定位的实际测试中，共部署了23个传感节点，其中使用北斗直接定位的有11个，没有提供北斗定位而使用ZigBee定位的有12个。节点随机分布，节点间设置了10～20 m不等的距离，然后进行了10次间接定位的实验。通过统计数据，分析与实际测量值的误差，结果如图5所示。



图5 间接定位误差分布


综合计算，10次实验的平均定位误差为1.7 m。考虑到平均14 m的节点间距离，定位误差较小，符合应用要求。

3.2 时间同步误差测试

在时间同步的仿真中，依然采用间接定位测试中的节点。23个节点位置随机分布，时间同步周期为5 s，在原有ZigBee协议中增加了部分模块的功能，包括MAC层的时间戳。在实验中，分别记录了FTSP在网络中节点间单跳和多跳的平均同步误差，测试次数为10次，实验结果如图6所示。



图6 间接定位误差分布


根据实验结果，两个节点单跳FTSP平均误差为2.12μs;但是到7跳的时候，两个节点的平均误差，FTSP为11.97 μs，结果表明，FTSP算法在多跳网络中的同步误差精度较高，曲线平滑，符合要求，可以达到提升ZigBee网络时间同步准确性的目的。

结语

利用Freescale的ZigBee通信模块MC13213与和芯星通UM220定位导航芯片组合搭建的硬件和软件平台，把北斗卫星定位系统的定位信息和授时功能与ZigBee系统相结合;利用精确的定位和授时数据改进ZigBee协议栈的性能，增强其节点的功能，实现了精确定位、间接定位和全网时间同步的改进。通过ZigBee网络传输性能的优势，弥补了单一北斗导航数据缺乏流动性和数据形态孤立的不足。经测试，设计终端性能稳定，效果良好，达到了预期的设计目标。