基于ZigBee技術(shù)的室內定位系統的設計

引言

　　隨著(zhù)數據業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內環(huán)境，如機場(chǎng)大廳、展廳、倉庫、超市、圖書(shū)館、地下停車(chē)場(chǎng)等環(huán)境中，常常需要確定移動(dòng)終端或其持有者、設施與物品在室內的位置。但是受定位時(shí)間、定位精度以及室內復雜環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術(shù)目前還無(wú)法很好地利用。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它最顯著(zhù)的特點(diǎn)是低功耗和低成本。利用ZigBee技術(shù)實(shí)現定位具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，且信號傳輸不受視距的影響。

1 相關(guān)核心技術(shù)概述

1.1 ZigBee技術(shù)概述

　　ZigBee技術(shù)[1]是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數據率、低復雜度的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它是基于IEEE 802.15.4標準開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò )層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE 802.15.4負責物理層和鏈路層標準。完整的ZigBee協(xié)議套件由應用層、應用架構層、網(wǎng)絡(luò )層以及數據鏈路層和物理層等組成，協(xié)議棧結構如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結構

　　ZigBee可使用的頻段有3個(gè)，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz 頻段以及美國的915 MHz 頻段，不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個(gè)。中國采用2.4 GHz頻段，它是免申請和免使用費的頻段；采用直接序列擴頻技術(shù)DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，傳輸距離介于10~75 m（增加RF發(fā)射功率，可達500 m）；傳輸速率為20~250 kb/s，適合傳感器數據采集和控制數據的傳輸。ZigBee技術(shù)具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹(shù)型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)。

1.2 RSSI定位技術(shù)

　　RSSI[2]（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示）是指節點(diǎn)接收到的無(wú)線(xiàn)信號強度大小。在基于接收信號強度指示RSSI 的定位中,已知發(fā)射節點(diǎn)的發(fā)射信號強度,接收節點(diǎn)根據接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗,利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉化為距離,再利用已有的算法計算出節點(diǎn)的位置。該技術(shù)硬件要求較低、算法相對簡(jiǎn)單,在實(shí)驗室環(huán)境中表現出良好特性;但由于環(huán)境因素變化的原因,在實(shí)際應用中往往還需要改進(jìn)。接收信號強度是發(fā)射功率和發(fā)射器與接收器間距離的函數。

　　接收信號強度RSSI理論值可由式 (1)表示：

RSSI=-(10n?lgd+A)(1)

其中，n代表信號傳播常量，也叫傳播指數；d代表距發(fā)射器間的距離；A代表距離1 m時(shí)的接收信號強度。

　　信號的衰減與距離成對數衰減的關(guān)系。節點(diǎn)到信號源的距離越近, 由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差越??；而當距離大于某一值時(shí),由RSSI波動(dòng)造成的絕對距離誤差將會(huì )很大。一個(gè)未知節點(diǎn)可能收到n個(gè)參考節點(diǎn)的信號, 所以應當采用RSSI值大的前幾個(gè)參考節點(diǎn)進(jìn)行定位計算，這樣可以避免定位誤差擴大。

2 ZigBee技術(shù)實(shí)現定位的優(yōu)勢

(1) 功耗低

　　由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW,而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。ZigBee設備僅靠2節5號電池就可以維持長(cháng)達6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，其功耗遠遠低于其他無(wú)線(xiàn)設備。

(2) 成本低

　　與 GPS相比，定位引擎在單芯片 ZigBee RF收發(fā)器中與 MCU集成在一起，成本不及 GPS硬件的1/10，功耗也只是 GPS硬件的一小部分，并且ZigBee協(xié)議是免專(zhuān)利費的。

(3) 時(shí)延短

　　通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設備時(shí)延為30 ms，休眠激活的時(shí)延是15 ms，活動(dòng)設備信道接入的時(shí)延為15 ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對實(shí)時(shí)定位要求較高的應用。

(4) 網(wǎng)絡(luò )容量大

　　一個(gè)星型結構的ZigBee網(wǎng)絡(luò )最多可以容納254個(gè)從設備和1個(gè)主設備，組網(wǎng)方式靈活。隨著(zhù)ZigBee技術(shù)的成熟，未來(lái)ZigBee設備不斷增多，可以利用具有ZigBee RF的設備或基礎設施,容易組建ZigBee網(wǎng)絡(luò )，降低了ZigBee節點(diǎn)設計和組網(wǎng)成本,且利用更多的ZigBee設備可以達到更高的定位精度。

3 室內定位系統設計

3.1 系統結構

　　定位系統由盲節點(diǎn)（即待定位節點(diǎn)）和參考節點(diǎn)組成，為了便于用戶(hù)獲得位置信息，還需要一個(gè)與用戶(hù)進(jìn)行交互的控制終端和一個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖