ZigBee 定位解決方案

設(shè)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）稱心如意的生日禮物。在這種情況下，該從何下手？您會很自然地掏出手機(jī)或PDA來選擇選購生日禮物的最佳方案。此時(shí)，您的移動手持終端設(shè)備將顯示出購物中心的導(dǎo)購圖，并在圖上標(biāo)明您需前往的采購區(qū)。當(dāng)您在購物中心轉(zhuǎn)悠時(shí)，移動手持終端設(shè)備上將顯示出您可能會感興趣的商品。

當(dāng)今的射頻(RF)技術(shù)有望使上述設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。TIZigBeeRF設(shè)備中內(nèi)嵌的定位引擎可以與室內(nèi)GPS系統(tǒng)相媲美，其內(nèi)嵌的定位引擎使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的RF基礎(chǔ)設(shè)施來計(jì)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(nèi)，也可用于室外，而且只要有現(xiàn)成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，就無需安裝移動的接收天線。

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

另外，當(dāng)新設(shè)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化無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置。

后臺設(shè)備
大多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都要求具備一種確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置的方法。因此在設(shè)備安裝期間，您需要弄清楚哪些節(jié)點(diǎn)相互之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，或者確定哪些節(jié)點(diǎn)直接與中央數(shù)據(jù)采集點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

當(dāng)通過基于軟件的計(jì)算方法來確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置時(shí)，我們就會考慮到市場化解決方案(marketsolution)。這些具體的計(jì)算方法是：節(jié)點(diǎn)首先讀取計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置的參數(shù)，然后將相關(guān)信息傳送到中央數(shù)據(jù)采集點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算，最后，又將節(jié)點(diǎn)位置的有關(guān)參數(shù)傳回至該節(jié)點(diǎn)。這就是典型的數(shù)據(jù)密集型計(jì)算，并且需要配置一臺PC或高性能的MCU。

這種計(jì)算節(jié)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(jié)點(diǎn)數(shù)量，是因?yàn)檫M(jìn)行相關(guān)計(jì)算所需的流量將隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而呈指數(shù)級速度增加。因此，高流量負(fù)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(yīng)用。

針對上述問題，CC2431采用了一種分布式定位計(jì)算方法。這種計(jì)算方法根據(jù)從距離最近的參考節(jié)點(diǎn)（其位置是已知的）接收到的信息，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地計(jì)算，確定相關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置。因此，網(wǎng)絡(luò)流量的多少將由待測節(jié)點(diǎn)范圍中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量決定。另外，由于網(wǎng)絡(luò)流量會隨著待測節(jié)點(diǎn)數(shù)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(jié)點(diǎn)。

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

定位引擎技術(shù)
定位引擎根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)中臨近射頻的接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)，計(jì)算所需定位的位置。在不同的環(huán)境中，兩個射頻之間的RSSI信號會發(fā)生明顯的變化。例如，當(dāng)兩個射頻之間有一位行人時(shí)，接收信號將會降低30dBm。為了補(bǔ)償這種大的差異以及出于對定位結(jié)果精確性方面的考慮，定位引擎將根據(jù)來自多達(dá)16個射頻的RSSI值，開展有關(guān)的定位計(jì)算。其依據(jù)的理論是：當(dāng)采用大量的節(jié)點(diǎn)后，RSSI的變化最終將達(dá)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為參考節(jié)點(diǎn)，而需要計(jì)算定位位置的節(jié)點(diǎn)稱為待測節(jié)點(diǎn)。

要求在參考節(jié)點(diǎn)和待測節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)奈ㄒ恍畔⒕褪菂⒖脊?jié)點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)。定位引擎根據(jù)接收到的X和Y坐標(biāo)，并結(jié)合根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)測量得出的RSSI值，計(jì)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(yīng)用可能要求，放置若干個參考節(jié)點(diǎn)作為基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置不可或缺的一部分。ZigBee技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對家庭、辦公以及工業(yè)等應(yīng)用的無線控制。人們期望，隨著ZigBee設(shè)備在樓宇基礎(chǔ)設(shè)施中的安裝數(shù)量不斷增多，ZigBee將會在家庭和辦公自動化方面擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。

典型的辦公場所都會配置ZigBee設(shè)備，通過各辦公室和會議室中的溫度傳感器，控制溫度調(diào)節(jié)裝置以及A/C導(dǎo)管。同時(shí)，每個房間還會安裝由ZigBee控制的燈具開關(guān)和設(shè)備，而這些設(shè)備又易于作為定位引擎的參考節(jié)點(diǎn)。將ZigBee射頻作為ZigBee協(xié)議棧上的參考節(jié)點(diǎn)所需的代碼容量通常小于1Kb。

定位引擎從3至16個參考節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)對應(yīng)定位的位置進(jìn)行計(jì)算。如果定位引擎從16個以上的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，它則會將接收到的參考節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行分類，然后采用16個參考節(jié)點(diǎn)中信號最強(qiáng)的RSSI值。

擴(kuò)大覆蓋范圍
定位引擎的覆蓋范圍為6464米，然而大多數(shù)的應(yīng)用要求更大的覆蓋范圍。擴(kuò)大定位引擎的覆蓋范圍可以通過兩種方法來實(shí)現(xiàn)：
提高參考節(jié)點(diǎn)的輸出功率，同時(shí)降低定位引擎計(jì)算結(jié)果的精度；
在一個更大的范圍布置參考節(jié)點(diǎn)，并利用最強(qiáng)的信號進(jìn)行相關(guān)參考節(jié)點(diǎn)的定位計(jì)算。

由于第二種方法能夠在擴(kuò)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(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播信息，并從各相鄰的參考節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些參考節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度，選擇信號最強(qiáng)的參考節(jié)點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)。然后，計(jì)算與參考節(jié)點(diǎn)相關(guān)的其他節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。最后，對定位引擎中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并考慮距離最近參考節(jié)點(diǎn)的偏移值，從而獲得待測節(jié)點(diǎn)在大型網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際位置（請參閱圖1）。



為了達(dá)到最佳的定位范圍，當(dāng)布置參考節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮到室內(nèi)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(jié)點(diǎn)處于相同的高度，并遠(yuǎn)離地面、天花板以及墻壁。在實(shí)際的部署過程中要達(dá)到這種要求，是比較困難的（如果可以實(shí)現(xiàn)的話）。因此，盡量將參考節(jié)點(diǎn)固定在天花板的高度或低于天花板的高度，并使天線倒置以使RF信號向外和向下傳輸，同時(shí)將待測節(jié)點(diǎn)（手持或固定于設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的）。節(jié)點(diǎn)的這種設(shè)置方法實(shí)現(xiàn)了天花板和地板吸附作用的最小化，同時(shí)將實(shí)現(xiàn)在該場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(nèi)性能，在辦公環(huán)境中將采用具有8個參考節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。我們根據(jù)現(xiàn)有表面將參考節(jié)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(xiàn)有的表面。在圖2中，8個參考節(jié)點(diǎn)分別用A-H8個字母來命名。

在6個選定的位置采集定位估計(jì)值數(shù)據(jù)，每一位置的定位數(shù)據(jù)平均有20讀取點(diǎn)。相關(guān)測試結(jié)果請參閱表1。

在采集8個參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，然后將6個新增的參考節(jié)點(diǎn)添加到系統(tǒng)中。接下來，在4個相同的位置，重新進(jìn)行定位估計(jì)測算，觀察這些新增的參考節(jié)點(diǎn)對定位估計(jì)值的影響。

14個參考節(jié)點(diǎn)的測量結(jié)果如表2所示。




當(dāng)節(jié)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置的參考節(jié)點(diǎn)增多時(shí)，定位的精確性也將會不斷提高。在本試驗(yàn)中，增設(shè)6個參考節(jié)點(diǎn)后，四個位置的定位精確性都會有所提高，同時(shí)降低了各定位報(bào)告位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差（一致性）。

提高精確性
定位引擎采用來自附近參考節(jié)點(diǎn)的RSSI測量值來計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)的位置。RSSI將隨著天線設(shè)計(jì)、周圍環(huán)境以及包括若干其他因素在內(nèi)的其他附近RF源的變化而變化。定位引擎將數(shù)個節(jié)點(diǎn)的位置信息加以平均。增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，則可降低對各節(jié)點(diǎn)具體測試結(jié)果的依賴性，同時(shí)全面提高精確度。

無論在什么情況下設(shè)置參考節(jié)點(diǎn)，都會影響到定位的精確性，這主要是因?yàn)楫?dāng)參考節(jié)點(diǎn)設(shè)置在離相關(guān)表面很近的地方時(shí)，會產(chǎn)生天花板或地板的吸附作用。因此，應(yīng)盡量使用在各方位都具備相同發(fā)射能力的全向天線。

結(jié)論
定位引擎實(shí)現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)射頻的“房間式”精確性，而且功耗低，通信開銷也實(shí)現(xiàn)了最小化。另外，定位引擎技術(shù)還能運(yùn)用現(xiàn)有的ZigBee基礎(chǔ)設(shè)施來確定網(wǎng)絡(luò)中的位置。諸如此類的信息可由用于追蹤目的的中央數(shù)據(jù)采集點(diǎn)輕松獲取，用戶也可使用該定位引擎技術(shù)完成樓宇內(nèi)的導(dǎo)航工作。


作者簡介
JarleBoe現(xiàn)為TI低功耗無線產(chǎn)品部工廠高級管理人員，加盟TI之前，他曾任職于Chipcon。他在半導(dǎo)體行業(yè)擁有超過10年的工作經(jīng)驗(yàn)，并擔(dān)任過涵蓋技術(shù)與市場營銷部門的多個職位。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。