基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

　　隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求日益增大，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如機(jī)場(chǎng)大廳、展廳、倉(cāng)庫(kù)、超市、圖書館、地下停車場(chǎng)等環(huán)境中，常常需要確定移動(dòng)終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置。但是受定位時(shí)間、定位精度以及室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術(shù)目前還無法很好地利用。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它最顯著的特點(diǎn)是低功耗和低成本。利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，且信號(hào)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(shù)據(jù)率、低復(fù)雜度的雙向無線通信技術(shù)，它是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的無線協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE 802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議套件由應(yīng)用層、應(yīng)用架構(gòu)層、網(wǎng)絡(luò)層以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層等組成，協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

　　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(guó)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(guó)采用2.4 GHz頻段，它是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻段；采用直接序列擴(kuò)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(dá)500 m）；傳輸速率為20~250 kb/s，適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸。ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)。

1.2 RSSI定位技術(shù)

　　RSSI[2]（Received Signal Strength Indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示）是指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度大小。在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI 的定位中,已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度,接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗,利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離,再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。該技術(shù)硬件要求較低、算法相對(duì)簡(jiǎn)單,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性;但由于環(huán)境因素變化的原因,在實(shí)際應(yīng)用中往往還需要改進(jìn)。接收信號(hào)強(qiáng)度是發(fā)射功率和發(fā)射器與接收器間距離的函數(shù)。

　　接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI理論值可由式 (1)表示：

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

其中，n代表信號(hào)傳播常量，也叫傳播指數(shù)；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(hào)強(qiáng)度。

　　信號(hào)的衰減與距離成對(duì)數(shù)衰減的關(guān)系。節(jié)點(diǎn)到信號(hào)源的距離越近, 由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對(duì)距離誤差越小；而當(dāng)距離大于某一值時(shí),由RSSI波動(dòng)造成的絕對(duì)距離誤差將會(huì)很大。一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)可能收到n個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào), 所以應(yīng)當(dāng)采用RSSI值大的前幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，這樣可以避免定位誤差擴(kuò)大。

2 ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位的優(yōu)勢(shì)

(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(shè)備非常省電。ZigBee設(shè)備僅靠2節(jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，其功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他無線設(shè)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)議是免專利費(fèi)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(shè)備時(shí)延為30 ms，休眠激活的時(shí)延是15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15 ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)實(shí)時(shí)定位要求較高的應(yīng)用。

(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大

　　一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備，組網(wǎng)方式靈活。隨著ZigBee技術(shù)的成熟，未來ZigBee設(shè)備不斷增多，可以利用具有ZigBee RF的設(shè)備或基礎(chǔ)設(shè)施,容易組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，降低了ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和組網(wǎng)成本,且利用更多的ZigBee設(shè)備可以達(dá)到更高的定位精度。

3 室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　定位系統(tǒng)由盲節(jié)點(diǎn)（即待定位節(jié)點(diǎn)）和參考節(jié)點(diǎn)組成，為了便于用戶獲得位置信息，還需要一個(gè)與用戶進(jìn)行交互的控制終端和一個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖