李　聰，　滕皆敏，　吳　尊，　李宇杰，　龍　浩

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　徐州　221000）

基于ZigBee的定位跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李聰，滕皆敏，吳尊，李宇杰，龍浩

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221000）

針對(duì)目前大部分基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位跟蹤系統(tǒng)都是處于實(shí)驗(yàn)和仿真階段，很多應(yīng)用的系統(tǒng)也存在能量消耗問題，論文研究和開發(fā)了基于ARM9+CC2431、PICDEM Z節(jié)點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)C/S軟件結(jié)構(gòu)的一個(gè)四層結(jié)構(gòu)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；然后給出了ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）和基于C/S結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)思路和具體的軟硬件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和技術(shù)實(shí)現(xiàn)新穎，定位跟蹤效果好，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；定位；跟蹤；網(wǎng)關(guān)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境探測(cè)、天氣預(yù)報(bào)、安全、監(jiān)控以及分布式計(jì)算和目標(biāo)區(qū)域成像等領(lǐng)域，在軍事、醫(yī)療和民用等方面的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器監(jiān)測(cè)信息中所包含的重要信息，沒有位置的監(jiān)測(cè)消息往往是毫無意義的。因此，確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵作用。

ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)率、低復(fù)雜度的雙向無線通信技術(shù)，它是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的無線協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)采用了TI公司開發(fā)的CC2431芯片來實(shí)現(xiàn)ZigBee通信及追蹤定位功能。CC2431射頻部分與TI（CHIPCON）早期產(chǎn)品CC2420的功能基本相同，但增加了由Motorola公司授權(quán)的基于RSSI技術(shù)的定位引擎。其定位精度少于3m，定位時(shí)間小于40μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPS的定位精度，可以對(duì)諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)較精準(zhǔn)的定位。

一、定位跟蹤系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

定位跟蹤系統(tǒng)采用“ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)-ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）-服務(wù)器-客戶端”四層結(jié)構(gòu)，同時(shí)保證了較好的擴(kuò)展性。各層具體介紹如下：

（1）ZigBee傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)由信標(biāo)和移動(dòng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成，均采用Microchip的PICDEM Z節(jié)點(diǎn)；

（2）ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）

ZigBee網(wǎng)關(guān) （基站）需要完成ZigBee協(xié)議和Internet協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)功能，同時(shí)還要具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力（基站功能），考慮為以后的高復(fù)雜性濾波算法的硬件實(shí)現(xiàn)做鋪墊，因此本文選擇高性能的ARM9處理器來完成設(shè)計(jì)；

（3）服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫

服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫管理程序運(yùn)行在Windows Server 2003上，負(fù)責(zé)從ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）接收數(shù)據(jù)并處理、存儲(chǔ)、提供歷史數(shù)據(jù)查詢和管理等功能；

（4）客戶端用戶界面

客戶端界面負(fù)責(zé)與用戶的交互，包括跟蹤軌跡的繪制和實(shí)時(shí)顯示，用戶命令的接收等。

圖1　基于ZigBee的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

二、嵌入式ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）設(shè)計(jì)

下面給出嵌入式ZigBee網(wǎng)關(guān) （基站）的具體實(shí)現(xiàn)，包括設(shè)計(jì)思路、硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件和“ZigBee-Ethernet”協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件等的設(shè)計(jì)。

（一）設(shè)計(jì)思路

網(wǎng)關(guān)是一個(gè)建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通常它連接兩個(gè)或多個(gè)相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，每接收一種協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包后，轉(zhuǎn)發(fā)之前將它轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議格式。本文設(shè)計(jì)的嵌入式ZigBee網(wǎng)關(guān)就是基于這個(gè)思想，完成嵌入式環(huán)境下以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ZigBee協(xié)議的無縫轉(zhuǎn)換。

論文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化為由硬件層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用層三層組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示：硬件層描述了網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)；軟件層移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核、ZigBee協(xié)議棧和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP，實(shí)現(xiàn)了ZigBee和TCP/IP協(xié)議的雙向透明轉(zhuǎn)換，同時(shí)封裝一些相關(guān)API函數(shù)供應(yīng)用層程序調(diào)用；應(yīng)用層是用戶自行編寫的應(yīng)用程序，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要使用系統(tǒng)軟件層定義的API進(jìn)行自行擴(kuò)充應(yīng)用。

圖2　ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）總體結(jié)構(gòu)圖

（二）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

考慮到ZigBee節(jié)點(diǎn)的通信帶寬有限（數(shù)據(jù)速率最高僅為250 kbps），為了減少網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換自身的工作量，主控微處理器一般要求使用內(nèi)置以太網(wǎng)控制器的高速SoC芯片，本網(wǎng)關(guān)就是選擇一款集成Ethernet接口的ARM9芯片完成硬件平臺(tái)的搭建。

基于ARM9處理器的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)（基站）硬件框圖如圖3所示，由內(nèi)部集成以太網(wǎng)MAC的ARM9處理器STR912FW44X、ZigBee射頻收發(fā)芯片CC2431、大容量DataFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片AT45DCB008、以太網(wǎng)收發(fā)芯片（PHY）RTL8201和帶觸摸功能的LCD顯示模塊LQ084V1DG21等五大部分組成。

圖3　ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）硬件結(jié)構(gòu)框圖

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分包括網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)上μC/OS-II下的LwIP和ZigBee協(xié)議棧的移植、網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件的設(shè)計(jì)、基于C/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（一）μC/OS-II下的LwIP的移植

LwIP協(xié)議棧在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了移植問題，因此把所有與硬件相關(guān)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、編譯器相關(guān)的部分獨(dú)立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OS-II上的移植就是修改這個(gè)目錄下的文件，其它的文件一般不做修改。主要修改和實(shí)現(xiàn)以下幾部分：

1.與CPU或編譯器相關(guān)的include文件；

2.操作系統(tǒng)模擬層相關(guān)代碼編寫；

3.與RTOS相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)；

4.lib_arch中庫函數(shù)的實(shí)現(xiàn)；

5.網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動(dòng)程序編寫。

（二）μC/OS-II下的ZigBee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)及μC/OS-II操作系統(tǒng)環(huán)境下移植并改寫了美國(guó)Msstate大學(xué)Robert B. Reese副教授編寫的 ZigBee協(xié)議棧的子集MSSTATE_LRWPAN，我們把移植后的ZigBee協(xié)議棧稱之為ez_PAN。ez_PAN實(shí)現(xiàn)了ZigBee Specification 1.1的關(guān)鍵部分功能，目前僅支持簇樹狀網(wǎng)絡(luò)（Cluster Tree），支持網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)配置組網(wǎng)和動(dòng)態(tài)綁定等。

（三）ZigBee/Enthernet協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)

參考標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP下的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，本文編程實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議下的適配層（Adaption Layer）和ARP，實(shí)現(xiàn)IP地址到IEEE 802.15.4/ZigBee節(jié)點(diǎn)地址的映射。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的原理如圖4所示。數(shù)據(jù)包在網(wǎng)關(guān)中從Ethernet向ZigBee單方向轉(zhuǎn)換過程如下：Ethernet端從某網(wǎng)絡(luò)接口接收一個(gè)正常發(fā)往本機(jī)的IP數(shù)據(jù)包，簡(jiǎn)單判斷后發(fā)給對(duì)應(yīng)的UDP或TCP處理函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理，然后發(fā)給網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序；網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序經(jīng)過簡(jiǎn)單分析后，確定要轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的某一節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee端的ARP解析出該節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的MAC地址，然后把數(shù)據(jù)包成功交至該節(jié)點(diǎn)，這樣就完成此次Ethernet向ZigBee的協(xié)議轉(zhuǎn)換，ZigBee向Ethernet端轉(zhuǎn)換類似。

圖4　網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換框圖

（四）基于C/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)的目標(biāo)跟蹤監(jiān)測(cè)圖形界面設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)的C/S結(jié)構(gòu)，這使得ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)定位和跟蹤的結(jié)果可以在LAN、WLAN或Internet上的任何一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)上查詢到，并根據(jù)用戶的實(shí)際需要實(shí)時(shí)地繪制出移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）通過Internet將移動(dòng)目標(biāo)的位置信息發(fā)送到服務(wù)器。服務(wù)器通過Socket程序讀取這些數(shù)據(jù)，并存入本地?cái)?shù)據(jù)庫中，同時(shí)開啟查詢進(jìn)程，供遠(yuǎn)程查詢。服務(wù)器運(yùn)行Socket程序從網(wǎng)絡(luò)接口中抓取數(shù)據(jù)包寫入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫選用標(biāo)準(zhǔn)的SQL Server 2012，由它提供數(shù)據(jù)的寫入、更新和查詢等功能。

服務(wù)器的程序開發(fā)環(huán)境為Visual Studio.NET 2010，采用C#語言開發(fā)，其程序模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。目前已開發(fā)的主要有以下幾個(gè)模塊：

（1）網(wǎng)絡(luò)通信，負(fù)責(zé)進(jìn)行Socket通信，接收從ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）發(fā)來的數(shù)據(jù)，接收客戶端對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的配置信息和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)查詢信息，并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）；（2）數(shù)據(jù)處理，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、統(tǒng)計(jì)，然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫等；（3）數(shù)據(jù)查詢，接受客戶端要求對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)查詢，或通過ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）向ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)等相關(guān)信息查詢指令；（4）數(shù)據(jù)庫，用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，提供歷史數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)等；（5）管理界面，提供給數(shù)據(jù)庫管理人員的操作界面。

圖5　服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫端模塊結(jié)構(gòu)圖

服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理的流程如圖6所示。

圖6　服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫端數(shù)據(jù)處理流程

2.客戶端GUI開發(fā)

（1）客戶端GUI功能模塊

用戶通過客戶端查詢當(dāng)前目標(biāo)的信息和歷史位置信息，這要求客戶端具有實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，能夠提供查詢和統(tǒng)計(jì)等功能。

①信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配置模塊

顯示、修改信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的配置參數(shù)，輸入與定位相關(guān)的節(jié)點(diǎn)信息參數(shù)，如信標(biāo)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前電壓值，參考距離值等；

②維護(hù)測(cè)試模塊

負(fù)責(zé)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的關(guān)閉與啟動(dòng)、坐標(biāo)校正和數(shù)據(jù)庫的查詢與維護(hù)；

③信標(biāo)狀態(tài)顯示模塊

各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、當(dāng)前目標(biāo)所在區(qū)域信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)顯示；

④數(shù)據(jù)庫讀寫配置模塊

通過數(shù)據(jù)庫配置，完成與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的連接；

⑤軌跡繪制和顯示模塊

根據(jù)讀取的移動(dòng)目標(biāo)的歷史和當(dāng)前位置信息繪制移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的軌跡，并實(shí)時(shí)顯示給用戶終端；

⑥系統(tǒng)管理模塊

包括用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)維護(hù)日志和定期備份、軟件版本及使用說明等基本功能。

（2）客戶端監(jiān)控界面

客戶端圖形監(jiān)控軟件也是在Windows 7操作系統(tǒng)上用Visual Studio.NET 2010的C#語言開發(fā)，軟件運(yùn)行環(huán)境為：Windows XP/7等?？蛻舳塑浖闹鹘缑嫒鐖D7所示，圖8信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配置管理界面。

圖7　客戶端監(jiān)控主界面

圖7中，“文件”菜單可以以.tr圖片文件格式和txt文本方式打開，保存目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，顯示部分用來實(shí)時(shí)顯示某個(gè)目標(biāo)在某時(shí)刻的位置，拖動(dòng)圖中的坐標(biāo)尺調(diào)整按鈕可以進(jìn)行坐標(biāo)系視圖標(biāo)尺的大小調(diào)整，跟蹤軌跡顯示區(qū)域則以圖形化方式直觀給出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖8　信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配置管理界面

在圖8的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配置管理界面中，用戶可以根據(jù)自己的需要設(shè)置信標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID及其相對(duì)坐標(biāo)和絕對(duì)坐標(biāo)；根據(jù)檢測(cè)到的剩余能量，動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收功率、節(jié)點(diǎn)電源的打開和關(guān)閉等。

四、結(jié)論

論文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤原型系統(tǒng)：首先給出了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，即由“ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)-ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）-服務(wù)器-客戶端”4層結(jié)構(gòu)組成；然后給出了原型系統(tǒng)兩大關(guān)鍵部件—ZigBee網(wǎng)關(guān)（基站）和基于C/ S結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)思路和具體的軟硬件實(shí)現(xiàn)。該定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和技術(shù)實(shí)現(xiàn)新穎，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

［1］李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［2］倪明選.納入973計(jì)劃的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究［J/OL］.中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2008，（1）.

［3］王殊，閻毓杰，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2007.

［4］馮穎.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法研究［D］.湖南大學(xué)，2007.

［5］史龍，王福豹，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Rang-Free自身定位機(jī)制與算法［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，（23）.

（責(zé)任編輯：魏樹峰）

A Design of Locating and Tracking System Based on ZigBee

LI Cong，TENG Jie-min，WU Zun，LI Yu-jie，LONG Hao
（Xuzhou College ofIndustrial Technology，Xuzhou 221000，Jiangsu）

At present，most positioning and tracking systems based on ZigBee wireless sensor network are at the stage of experiment and simulation，and many application systems have the problem of high energy consumption. A tracking system with four-layer structure based on ARM9CC2431，PICDEMZ target node and standard C/S software structure is developed，and the system structure is also illustrated.The design and implementation of ZigBee gateway（base station）and the remote monitoring software based on C/S structure are presented.With good positioning and tracking results，the design and technologies are innovative and have good prospect of applications.

wireless sensor network；location；track；gateway；remote monitoring

TP399

B

1671-802X（2016）01-0032-06

2016-01-03

李聰（1994-），男，江蘇徐州人，學(xué)生，研究方向：軟件工程。

龍浩（1984-），男，湖南長(zhǎng)沙人，講師，研究方向：軟件工程，數(shù)據(jù)挖掘。E-mail：longhhao@163.com.

江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目（201513107004Y）資助