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便携式无线搜救定位系统设计
内容摘要： 提出了一种基于CC2430 的便携式无线搜救器的设计方法。该设计方法根据佩戴在遇难人员身上的CC2430 射频卡发往搜救器的无线数据帧所含的RSSI 值，通过数学转换为遇难人员与搜救器之间的距离，从而判断出两者之间的距离以及遇难者所处的位置，并且运用调度算法优化了通信，增加了在通信繁忙时的数据传输的稳定。实验证明，该设计方法具有良好的精度和灵敏度，满足实际应用的要求。
随着国家经济发展，对矿山及煤矿资源的依赖性也日益增大，因此而导致的矿山灾害也日益增多。在抢救遇难人员时，方便，快捷，定位精确的搜救系统就显得尤为重要，本文正是基于这一思想，利用无线射频芯片自组网的特性，通过佩戴在遇难者身上不断传回的数据值，从而确定遇难者的所处位置，并迅速的进行营救。
1 无线搜救器原理
无线搜救器系统的主要工作原理是在802.15.14/Zigbee 网络中被称为终端的射频卡（佩戴在遇难人员身上）以一个固定的时间频率往协调器（手持搜救器）发送数据帧，在该数据帧中包括一个接收信号强度值（RSSI），信号强度的衰减和距离成指数衰减的关系，两者之间的关系为：
其中d 表示距离，n 为信号传播常量，A 为每米信号接收强度，根据实验数据分析，n 值得最佳范围为3.25-4.5,A 值得最佳范围为45-49.对（1）式进行等价变换，可得：
然后根据d 的变化便可以动态的得知搜救器与终端之间的距离以及方位的变化。
2 系统总体设计
整个无线搜救器包括两部分，一个是射频卡终端，平常工作时做为人员考勤卡使用，灾难发生时，具有定位遇难者位置的功能，主要芯片是CC2430.无线搜救器由三星公司的ARMS3C2440 和CC2430 构成，主要功能为收集射频卡终端发来的数据并进行定位处理。
2.1 无线射频终端
射频卡终端选用TI 公司的CC2430 做为无线射频芯片，该芯片是Chipcon 公司生产的首款符合802.15.14/Zigbee 技术的射频系统单芯片。适用于各种ZigBee 或类似ZigBee 的无线网络节点，包括调谐器、路由器和终端设备。其具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势，具有以下主要特点：集成符合IEEE802.15.4 标准的RF 无线电收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；硬件支持CSMA/CA 功能；数字化的RSSI/LQI 支持。
CC2430 的硬件应用电路如下图所示，因为考虑到无线射频终端每个员工都需佩戴一个，从节约成本角度出发，采取了一种简单典型的设计方法，电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。
图1 CC2430 电路应用图
电路中的非平衡变压器由电容 C341 和电感 L341、L321、L331 以及一个 PCB 微波传输线组成，整个结构满足RF 输入/输出匹配电阻（50Ω）的要求。内部T/R 交换电路完成LNA 和PA 之间的交换。R221 和R261 为偏置电阻，电阻R221 主要用来为32 MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1 个 32 MHz 的石英谐振器（XTAL1）和2 个电容（C191 和C211）构成一个32MHz 的晶振电路。用1 个32.768 kHz 的石英谐振器（XTAL2）和2 个电容（C441 和C431）构成一个32.768 kHz 的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8V 电压的引脚和内部电源供电，C241 和 C421电容是去耦合电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。
2.2 无线搜救器
无线搜救器由控制模块、接收模块、电源模块、显示模块以及存储模块组成。控制模块主要有三星公司的S3C2440 构成，主要负责接收由射频接收模块发送过来的数据并对其进行处理，提供实时时钟及看门狗的功能。通过指示灯和蜂鸣器对搜救工作的状态进行指示。接收模块由CC2430 构成，主要负责接收无线射频终端的数据，802.15.14/Zigbee 协议处理以及执行BI 和SI 的动态调度算法。存储模块存储各种与应用相关的数据，主要通过外部的RAM 和ROM扩展来实现。电源模块为尽量减少系统的功耗满足电池供电的要求，在硬件设计中采用了低功耗的器件，如射频芯片，RS-232 芯片，存储芯片等都能在3.3V下正常工作。LCD 显示模块实时的将遇难者总数，遇难者与搜救器之间的距离，遇难者的个人信息如ID 编号等显示在LCD 显示屏上。硬件连接框图如下所示：
图2 搜救器硬件框图
2.3 系统软件实现
无线搜救器系统分为无线搜救器和人员终端射频卡两部分，终端无线搜救器做为网络中的协调器，负责建立一个信标使能的网络，并允许有加入请求的终端射频卡加入到网络中来，当加入成功后，便可进行数据的传送，软件流程图如图3 所示。终端射频卡在无灾难发生时作为考情卡使用，当灾难发生时则作为定位卡使用，流程如图4。