作者：JKhanh Tuan Le，德州儀器

今日相容于 IEEE 802.15.4且適用于 ZigBee 的無線射頻收發器、微控制器及系統單芯片 (SoC) 半導體裝置已相當普及。高度整合的多功能 SoC 解決方案是促成 ZigBee 無線網絡得以廣泛運用在眾多應用中的重要因素，包括工業監控、家庭及建筑自動化、傳感器網絡，乃至于無線醫療解決方案。在以上解決方案中增添無線射頻裝置的定位功能使得這些網絡的價值得以大幅提升。

定位功能

定位數據在許多應用中可以顯著提升所交換信息的價值。對于病患監控、資產追蹤、庫存控制、保全、倉儲、制造物流以及對于定位高度敏感的服務與計費等相關應用而言，定位功能可說是驅動了無線傳感器網絡的發展。節點或傳感器位置信息也有助于無線網絡的傳遞及調整。例如，無線節點可以使用全球定位系統 (GPS) 之類的現有系統取得位置信息。然而，GPS 型系統可能相當昂貴，而且對于低成本且大范圍的簡易網絡應用而言，也可能過于耗電且復雜。此外，GPS 可以在室外環境有效又精確地發揮定位功能，但在室內則未必如此。

在許多無線個人局域網絡 (WPAN) 應用中，針對具備定位功能的網絡來說，其吸引力在于低成本的傳感器裝置，以及以低功耗自動運作達到較長的設備使用壽命。由于 ZigBee 傳感器網絡具有多樣性，而且預期未來會相當普遍，因此區域定位很可能成為這類無線系統中較令人興奮的特色之一。其中的概念是，透過簡易且符合成本效益的方式，在大量的 ZigBee 網絡加入定位功能。這是將定位功能加入傳感器節點硅芯片裝置中，這只會稍微提高復雜程度和成本。若將此類位置模塊整合于芯片，并且運用無線訊號處理過程中既有的訊號指示器估計位置，例如接收訊號強度指針 (RSSI)，即可將增加的尺寸大小與功耗以及位置估計工作的復雜程度降至較低。無線射頻定位是相當繁復的過程。透過分布式方法 (算法)，可以將整個過程分成多個可管理的工作項目，這不僅能夠使節點所需的資源量相對減輕，且相較于集中式的方法也能夠明顯減少位置相關的網絡流量。

內建定位引擎的 ZigBee SoC

對于大多數 ZigBee 型無線應用而言，若要使應用系統的成本及設計復雜程度降低，卻又不減損 IEEE802.15.4/Zigbee 技術的功能，具備較佳設計的系統單芯片裝置是重要關鍵。真正實行系統單芯片解決方案，也就是將無線射頻收發器、數據處理單元、內存及使用者應用功能等所有的運作功能，整合于一個硅芯片，即可達到高效能、低成本及快速上市等優點。低功耗之所以能夠發揮高效能，是因為芯片內建專門功能緊密交互作用，使得耗用的資源大幅降低。透過較低程度的系統物料清單 (BOM)、較小的體積尺寸與較少的組件、較簡易的組裝與測試，以及簡單且可靠的設計，其制造成本得以降低并能加速上市時程。

圖1是市售硅芯片解決方案中具有代表性的 CC2431，這是一款真正的系統單芯片 CMOS 裝置，不僅能夠發揮高效能，而且能夠滿足以 2.4 GHz ISM 頻帶運作的 IEEE 802.15.4/ZigBee 無線應用對于低成本及低功耗的需求。由于2.4 GHz ISM 頻帶具備較大頻寬且全球通用，能夠促進全球市場的發展及應用設計的彈性，IEEE 802.15.4 標準的 2.4 GHz PHY 因而具有相當大的潛力。CC2431 將高效能 2.4 GHz 直接序列展頻 (DSSS) 無線射頻收發器結合廣受業界肯定的精巧型高效率 8051 微控制器、8 KB RAM、128 KB 嵌入式閃存，以及其它實用的支持功能。其中一項是強大的 RSSI 定位引擎，適用于低功耗 ZigBee 無線傳感器網絡應用，例如資產追蹤、病患監控、庫存控制、保全及試行網絡。芯片內建定位引擎的其中一項主要功能是分布算法，例如在各個節點進行位置計算。由于過程中只傳輸計算的位置，而非進行計算所使用的數據，因此在節點進行位置計算能夠減少集中式運算法會出現的網絡流量及通訊延遲。

圖 1. 具備定位功能的 ZigBee SoC 裝置

分布式定位功能 (Distributed Localization)

CC2431 的定位引擎是數字硬件區塊，能夠使無線節點在 IEEE 802.15.4 或 ZigBee 網絡中以迅速有效的方式決定自身的平面位置坐標。利用相同引擎的多個參照節點或其它動態鄰近節點所接收到的訊號值，可以統計、演算與估計較可能的位置，以完成無線節點的定位。

定位引擎模塊的設計使其便于使用及與芯片內建的微控制器接合。這個獨立模塊的功耗相當低并且運作快速，因此能夠持續使用，完全不會耗用裝置的運算資源。

在網絡中，已知位置的節點稱為參照節點，位置未知而需要計算的節點則稱為待測節點 (blind node)。根據距離較近的參照節點所收到的信息，CC2431 能夠運用分布式定位功能得知待測節點的位置。

其中的網絡流量僅局限于 (待測) 節點的通訊范圍內所涵蓋的節點，而不會擴及到可能相距甚遠的中央節點。此分布式方法能夠處理相同網絡的大量待測節點，而集中式方法的網絡流量則會因為待測節點過多而急遽增加。在參照節點與待測節點間交換的必要信息為參照節點的 X 與 Y 坐標。參照節點接收到的訊息中內含所測得的 RSSI 值，定位引擎會根據參照 (X,Y) 坐標以及此 RSSI 值，計算出自身的 (X,Y) 坐標。

兩個無線射頻之間的 RSSI 值深受環境(變化)的影響，為了補足這個變動，CC2431 的定位引擎會收集 3 到 16 個參照節點的數據，以用于計算位置。如果接收到的數據來自 16 個以上的節點，則會將接收的參照節點位置加以排序，并使用其中 16 個較強的參照 RSSI 值。

ZigBee 網絡使用 CC2431 進行的實際室內測量如圖 2 所示。

圖 2：CC2431 的分布式定位

結論

低功耗無線網絡的應用除了具備可觀的商機，還能夠提升日常生活的安全性、舒適性及效率。采用高穩定 IEEE 802.15.4 標準的 ZigBee 具有技術質量與業界支持，能夠促進無線傳感器解決方案的普及。

整合于 CC2431 的定位引擎能夠運用既有的 ZigBee 基礎架構來發揮定位功能，并且能夠以 ZigBee 網絡中傳感器節點的「室內智慧」精確度進行分布式位置估計，不僅相當節能，而且能大幅降低通訊所需的經費。重要的位置信息可用于對位置相當敏感的服務、追蹤與監控，以及導航用途。

以下是具有 8 個參照節點 (黃色) 與 4 個待測節點 (紅色) 的辦公室環境：

以下是具有 14 個參照節點 (黃色及藍色) 與 4 個待測節點 (紅色) 的辦公室環境：

參考

想了解更多有關于Zigbee Alliance公司請訪問： www.zigbee.org.
想下載有關CC2431數據表或其他技術信息請訪：www.ti.com/sc/device/cc2431.

關于作者

Khanh Tuan Le 為德州儀器策略營銷及系統工程師，負責的工作項目是低功耗無線應用的無線射頻收發器及系統單芯片裝置。Khanh 的電子信箱為 ti_khanhle@list.ti.com。