ZigBee 定位解決方案

設想一下，您沖進(jìn)購物中心，急切地想為您的另一半選購他（她）稱(chēng)心如意的生日禮物。在這種情況下，該從何下手？您會(huì )很自然地掏出手機或PDA來(lái)選擇選購生日禮物的最佳方案。此時(shí)，您的移動(dòng)手持終端設備將顯示出購物中心的導購圖，并在圖上標明您需前往的采購區。當您在購物中心轉悠時(shí)，移動(dòng)手持終端設備上將顯示出您可能會(huì )感興趣的商品。

當今的射頻(RF)技術(shù)有望使上述設想成為現實(shí)。TIZigBeeRF設備中內嵌的定位引擎可以與室內GPS系統相媲美，其內嵌的定位引擎使用ZigBee網(wǎng)絡(luò )的RF基礎設施來(lái)計算事物或人們所處的位置。與GPS相比較而言，定位引擎在單芯片RF收發(fā)器中與MCU集成在一起，成本也不及GPS硬件的十分之一，功耗也只是GPS硬件的一小部分。該定位引擎既可用于室內，也可用于室外，而且只要有現成的ZigBee網(wǎng)絡(luò )，就無(wú)需安裝移動(dòng)的接收天線(xiàn)。

典型的應用包括：
遙控開(kāi)/關(guān)房屋中所有房間的燈具；
跟蹤碼頭倉庫的集裝箱起運情況；
跟蹤網(wǎng)站的設備。

另外，當新設備接入網(wǎng)絡(luò )時(shí)，該定位引擎能夠確定其物理位置，因此定位引擎還能用于簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的設置。

后臺設備
大多數的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )都要求具備一種確定網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)位置的方法。因此在設備安裝期間，您需要弄清楚哪些節點(diǎn)相互之間直接進(jìn)行數據交換，或者確定哪些節點(diǎn)直接與中央數據采集點(diǎn)進(jìn)行數據交換。

當通過(guò)基于軟件的計算方法來(lái)確定網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)位置時(shí)，我們就會(huì )考慮到市場(chǎng)化解決方案(marketsolution)。這些具體的計算方法是：節點(diǎn)首先讀取計算節點(diǎn)位置的參數，然后將相關(guān)信息傳送到中央數據采集點(diǎn)對節點(diǎn)位置進(jìn)行計算，最后，又將節點(diǎn)位置的有關(guān)參數傳回至該節點(diǎn)。這就是典型的數據密集型計算，并且需要配置一臺PC或高性能的MCU。

這種計算節點(diǎn)位置的方法之所以只適用于小型的網(wǎng)絡(luò )和有限的節點(diǎn)數量，是因為進(jìn)行相關(guān)計算所需的流量將隨著(zhù)節點(diǎn)數量的增加而呈指數級速度增加。因此，高流量負載加上帶寬的不足限制了這種方法在以電池供電的網(wǎng)絡(luò )中的應用。

針對上述問(wèn)題，CC2431采用了一種分布式定位計算方法。這種計算方法根據從距離最近的參考節點(diǎn)（其位置是已知的）接收到的信息，對節點(diǎn)進(jìn)行本地計算，確定相關(guān)節點(diǎn)的位置。因此，網(wǎng)絡(luò )流量的多少將由待測節點(diǎn)范圍中節點(diǎn)的數量決定。另外，由于網(wǎng)絡(luò )流量會(huì )隨著(zhù)待測節點(diǎn)數量的增加而成比例遞增，因此，CC2431還允許同一網(wǎng)絡(luò )中存在大量的待測節點(diǎn)。

本文中所提供的結果是根據對ZigBee網(wǎng)絡(luò )的測量得出的，然而，這些測量結果同樣適用于基于IEEE802.15.4.構建的更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )。

定位引擎技術(shù)
定位引擎根據無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中臨近射頻的接收信號強度指示(RSSI)，計算所需定位的位置。在不同的環(huán)境中，兩個(gè)射頻之間的RSSI信號會(huì )發(fā)生明顯的變化。例如，當兩個(gè)射頻之間有一位行人時(shí)，接收信號將會(huì )降低30dBm。為了補償這種大的差異以及出于對定位結果精確性方面的考慮，定位引擎將根據來(lái)自多達16個(gè)射頻的RSSI值，開(kāi)展有關(guān)的定位計算。其依據的理論是：當采用大量的節點(diǎn)后，RSSI的變化最終將達到平均值。

在RF網(wǎng)絡(luò )中，具有已知位置的定位引擎射頻稱(chēng)為參考節點(diǎn)，而需要計算定位位置的節點(diǎn)稱(chēng)為待測節點(diǎn)。

要求在參考節點(diǎn)和待測節點(diǎn)之間傳輸的唯一信息就是參考節點(diǎn)的X和Y坐標。定位引擎根據接收到的X和Y坐標，并結合根據參考節點(diǎn)的數據測量得出的RSSI值，計算位置進(jìn)行定位。

將定位技術(shù)納入網(wǎng)絡(luò )協(xié)議
一些采用定位引擎的應用可能要求，放置若干個(gè)參考節點(diǎn)作為基礎設施設置不可或缺的一部分。ZigBee技術(shù)能夠實(shí)現對家庭、辦公以及工業(yè)等應用的無(wú)線(xiàn)控制。人們期望，隨著(zhù)ZigBee設備在樓宇基礎設施中的安裝數量不斷增多，ZigBee將會(huì )在家庭和辦公自動(dòng)化方面擁有更為廣闊的應用前景。

典型的辦公場(chǎng)所都會(huì )配置ZigBee設備，通過(guò)各辦公室和會(huì )議室中的溫度傳感器，控制溫度調節裝置以及A/C導管。同時(shí)，每個(gè)房間還會(huì )安裝由ZigBee控制的燈具開(kāi)關(guān)和設備，而這些設備又易于作為定位引擎的參考節點(diǎn)。將ZigBee射頻作為ZigBee協(xié)議棧上的參考節點(diǎn)所需的代碼容量通常小于1Kb。

定位引擎從3至16個(gè)參考節點(diǎn)采集數據，并使用這些數據對應定位的位置進(jìn)行計算。如果定位引擎從16個(gè)以上的節點(diǎn)接收到數據時(shí)，它則會(huì )將接收到的參考節點(diǎn)位置進(jìn)行分類(lèi)，然后采用16個(gè)參考節點(diǎn)中信號最強的RSSI值。

擴大覆蓋范圍
定位引擎的覆蓋范圍為6464米，然而大多數的應用要求更大的覆蓋范圍。擴大定位引擎的覆蓋范圍可以通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現：
提高參考節點(diǎn)的輸出功率，同時(shí)降低定位引擎計算結果的精度；
在一個(gè)更大的范圍布置參考節點(diǎn)，并利用最強的信號進(jìn)行相關(guān)參考節點(diǎn)的定位計算。

由于第二種方法能夠在擴大定位引擎覆蓋面的同時(shí)而不犧牲定位的精確度，因此更為可取。這種方法具體的工作原理是：網(wǎng)絡(luò )中的待測節點(diǎn)發(fā)出廣播信息，并從各相鄰的參考節點(diǎn)采集數據，然后根據這些參考節點(diǎn)的信號強度，選擇信號最強的參考節點(diǎn)的X和Y坐標。然后，計算與參考節點(diǎn)相關(guān)的其他節點(diǎn)的坐標。最后，對定位引擎中的數據進(jìn)行處理，并考慮距離最近參考節點(diǎn)的偏移值，從而獲得待測節點(diǎn)在大型網(wǎng)絡(luò )中的實(shí)際位置（請參閱圖1）。



為了達到最佳的定位范圍，當布置參考節點(diǎn)時(shí)，應同時(shí)考慮到室內和室外環(huán)境中天花板/地板的吸附作用。最佳的方案就是使各節點(diǎn)處于相同的高度，并遠離地面、天花板以及墻壁。在實(shí)際的部署過(guò)程中要達到這種要求，是比較困難的（如果可以實(shí)現的話(huà)）。因此，盡量將參考節點(diǎn)固定在天花板的高度或低于天花板的高度，并使天線(xiàn)倒置以使RF信號向外和向下傳輸，同時(shí)將待測節點(diǎn)（手持或固定于設備）放置在人的腰部以上和頭部以下的任何高度的地方（此處提到的高度是以人站立在該環(huán)境中為標準的）。節點(diǎn)的這種設置方法實(shí)現了天花板和地板吸附作用的最小化，同時(shí)將實(shí)現在該場(chǎng)所中的行人或物體之間的相互干擾的最小化。

定位引擎的精確性
為了確保定位引擎的室內性能，在辦公環(huán)境中將采用具有8個(gè)參考節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )。我們根據現有表面將參考節點(diǎn)置于辦公室的角落位置，如辦公桌椅表面或其他介于人的腰部和肩部之間的現有的表面。在圖2中，8個(gè)參考節點(diǎn)分別用A-H8個(gè)字母來(lái)命名。

在6個(gè)選定的位置采集定位估計值數據，每一位置的定位數據平均有20讀取點(diǎn)。相關(guān)測試結果請參閱表1。

在采集8個(gè)參考節點(diǎn)的數據后，然后將6個(gè)新增的參考節點(diǎn)添加到系統中。接下來(lái)，在4個(gè)相同的位置，重新進(jìn)行定位估計測算，觀(guān)察這些新增的參考節點(diǎn)對定位估計值的影響。

14個(gè)參考節點(diǎn)的測量結果如表2所示。




當節點(diǎn)位置進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍時(shí)，定位的精確性將明顯提高。而且，當網(wǎng)絡(luò )中設置的參考節點(diǎn)增多時(shí)，定位的精確性也將會(huì )不斷提高。在本試驗中，增設6個(gè)參考節點(diǎn)后，四個(gè)位置的定位精確性都會(huì )有所提高，同時(shí)降低了各定位報告位置的標準偏差（一致性）。

提高精確性
定位引擎采用來(lái)自附近參考節點(diǎn)的RSSI測量值來(lái)計算待測節點(diǎn)的位置。RSSI將隨著(zhù)天線(xiàn)設計、周?chē)h(huán)境以及包括若干其他因素在內的其他附近RF源的變化而變化。定位引擎將數個(gè)節點(diǎn)的位置信息加以平均。增加節點(diǎn)的數量，則可降低對各節點(diǎn)具體測試結果的依賴(lài)性，同時(shí)全面提高精確度。

無(wú)論在什么情況下設置參考節點(diǎn)，都會(huì )影響到定位的精確性，這主要是因為當參考節點(diǎn)設置在離相關(guān)表面很近的地方時(shí)，會(huì )產(chǎn)生天花板或地板的吸附作用。因此，應盡量使用在各方位都具備相同發(fā)射能力的全向天線(xiàn)。

結論
定位引擎實(shí)現了ZigBee網(wǎng)絡(luò )射頻的“房間式”精確性，而且功耗低，通信開(kāi)銷(xiāo)也實(shí)現了最小化。另外，定位引擎技術(shù)還能運用現有的ZigBee基礎設施來(lái)確定網(wǎng)絡(luò )中的位置。諸如此類(lèi)的信息可由用于追蹤目的的中央數據采集點(diǎn)輕松獲取，用戶(hù)也可使用該定位引擎技術(shù)完成樓宇內的導航工作。


作者簡(jiǎn)介
JarleBoe現為T(mén)I低功耗無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品部工廠(chǎng)高級管理人員，加盟TI之前，他曾任職于Chipcon。他在半導體行業(yè)擁有超過(guò)10年的工作經(jīng)驗，并擔任過(guò)涵蓋技術(shù)與市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)的多個(gè)職位。Jarle畢業(yè)于挪威約維克學(xué)院(GjovikCollege.Norway)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。