ZigBee技術(shù)定位解決方案

引言

　　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。您很自然地掏出手機或 PDA 來(lái)解決如何選購生日禮物的問(wèn)題。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，并在圖上標明需前往的采購區。移動(dòng)手持終端設備上還將隨時(shí)隨地顯示出您可能會(huì )感興趣的商品。

　　射頻 (RF) 技術(shù)有望使上述設想成為現實(shí)。有些ZigBee RF 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)計算事物或人所處的位置。與 GPS 相比，定位引擎在單芯片 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。該種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)。

　　其典型的應用包括：

　　·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，它還能用于簡(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，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)，就需要考慮到市場(chǎng)化解決方案 (market solution)。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，再將節點(diǎn)位置的相關(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電池供電網(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 IEEE 802.15.4協(xié)議構建的更簡(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。為了補償這種差異，以及出于對定位結果精確性的考慮，定位引擎將根據來(lái)自多達 16 個(gè)射頻的 RSSI 值，進(jìn)行相關(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，計算定位位置。

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)，以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。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 1 Kb。

　　定位引擎從3~16 個(gè)參考節點(diǎn)采集數據，并使用這些數據計算定位位置。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 64m×64m，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定位引擎擴大覆蓋面的同時(shí)不犧牲定位精度，因此更為可取。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，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(見(jiàn)圖1)。

　　圖1 表明定位位置和信息路徑的ZigBee網(wǎng)絡(luò )

　　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。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、頭部以下位置(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 )。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它介于人的腰部和肩部之間的表面。在圖 2 中，8 個(gè)參考節點(diǎn)分別用 A~H 8個(gè)字母來(lái)命名。

　　圖2 室內辦公環(huán)境

　　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 個(gè)讀取點(diǎn)。相關(guān)測試結果如表1所示。

　　表1 8個(gè)參考節點(diǎn)的室內測試結果(所有數字的單位均為m)

　　在采集 8 個(gè)參考節點(diǎn)的數據后，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。

　　圖2 14個(gè)參考節點(diǎn)的室內測試結果(所有數字的單位均為m)

　　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，4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)。

　　結語(yǔ)

　　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。