摘  要： 深入分析現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)及其特點，詳細介紹了基于ZigBee無線網(wǎng)絡的室內(nèi)定位試驗平臺的硬件組成和定位算法,，給出了無線網(wǎng)絡定位圖形化監(jiān)視軟件的關(guān)鍵技術(shù),，以移動小車為載體進行了目標點定位試驗研究。結(jié)果表明該定位系統(tǒng)具有良好的定位精度與可擴展性,。
關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)絡,；室內(nèi)定位；ZigBee,；硬件定位引擎

　IT產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,、網(wǎng)絡的普及,、家電的智能化和單片機強有力的功能拓展，使得數(shù)字家庭,、無線定位,、無線組網(wǎng)等新概念已不同程度地融入人們的生活環(huán)境中。無線通信技術(shù)的成熟與發(fā)展促進了新興無線業(yè)務的出現(xiàn),，越來越多的應用都需要定位服務,。為解決自動定位的問題，基于衛(wèi)星通信的全球定位系統(tǒng)（GPS）應運而生,，其良好的定位精度解決了很多諸如軍事和民用等方面的實際問題,；但當需要定位的物體位于建筑物內(nèi)部時，其定位精度會明顯下降,。因此,，必須研究新的定位技術(shù)以彌補GPS的不足。迄今為止,，常見的室內(nèi)定位技術(shù)有紅外技術(shù),、無線局域網(wǎng)技術(shù)、超聲波技術(shù)和RFID技術(shù),。典型的系統(tǒng)有Active badge,、Crickets、LANDMARC,、RADAR,、E-911等[1-4]，這些系統(tǒng)在定位精度,、網(wǎng)絡構(gòu)建成本以及工作原理上各有不同,。但就其針對移動物體的室內(nèi)定位技術(shù)而言，可分為基于移動設備的方法和基于網(wǎng)絡的方法,。前者主要由移動設備根據(jù)當前和以前與其通信的參考基站信息,，計算出自身的位置，其最典型的應用是GPS,；而后者則是網(wǎng)絡根據(jù)其參考基站和移動設備通信的信息（時間和信號強度等）,，結(jié)合網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)計算出移動設備的位置實現(xiàn)定位。
    無線網(wǎng)絡是利用無線電射頻RF(Radio Frequency)或紅外線IR(Infrared)等無線傳輸媒體與技術(shù)構(gòu)成的通信網(wǎng)絡系統(tǒng),。由于取消了有線介質(zhì)(雙絞線,、同軸電纜、光纖等),，從而可以滿足網(wǎng)絡用戶信息隨身化的理想需求,。目前短距離無線網(wǎng)絡技術(shù)包括ZigBee、無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth),、超寬帶(UWB)和近距離無線傳輸(NFC)，已成為業(yè)界談論的熱點[5],。與其他技術(shù)相比,，ZigBee技術(shù)填補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺,，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應用,，而不是技術(shù)本身。因此,，本文基于ZigBee技術(shù)和嵌入式技術(shù),，以構(gòu)建簡單、定位精度高為目的,，構(gòu)建室內(nèi)定位試驗平臺,。
1 硬件設計與定位算法
1.1 硬件設計
    室內(nèi)定位試驗平臺主要由ZigBee無線網(wǎng)絡與控制單元兩部分組成，如圖1所示,。其中,，控制單元用于收集定位數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡中各節(jié)點的交互。典型的控制單元是PC機或ARM控制器,，但通常兩者均不具備嵌入式射頻收發(fā)器,，因此實際應用中尚需外部搭接射頻模塊。ZigBee無線網(wǎng)絡是基于IEEE802.15.4技術(shù)標準和ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議而設計的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡,，包括1個網(wǎng)關(guān)（作用相當于ZigBee的協(xié)調(diào)器,，負責整個定位無線網(wǎng)絡服務、協(xié)調(diào),，以及網(wǎng)絡狀態(tài)檢查等）,、3個以上的參考節(jié)點（為已知位置的節(jié)點，并且其物理位置固定不變）和1個定位節(jié)點（其位置隨時變化,，由CC2431硬件定位引擎通過接收參考節(jié)點的RSSI值經(jīng)過固有定位算法計算而得）,。

    網(wǎng)關(guān)和參考節(jié)點均采用TI公司的射頻芯片CC2430，定位節(jié)點采用支持2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的帶有硬件定位引擎的射頻芯片CC2431,，移動小車采用履帶式兩輪驅(qū)動方式,，控制器采用Samsung公司的S3C2410處理器。數(shù)據(jù)傳輸方面,，網(wǎng)絡節(jié)點（參考節(jié)點,、定位節(jié)點和網(wǎng)關(guān)）之間采用無線傳輸方式，網(wǎng)關(guān)與控制器之間采用串口通信方式,。裝備有網(wǎng)關(guān)和定位節(jié)點的移動小車如圖2所示,。

1.2 定位算法
    接收到參考節(jié)點的信號強度后，定位節(jié)點獨自計算所得信號的傳播損耗，基于理論與經(jīng)驗模型將其轉(zhuǎn)化為有效距離,，最后利用已有算法得到定位節(jié)點的具體位置,。接收信號強度理論值為：
    RSSI=-(10n·lgd+A)
式中，d為到發(fā)射器之間的距離,；n為信號傳播常量,；A為在1 m處接收到信號的強度?？梢钥闯?，信號強度與到發(fā)射器之間的距離成對數(shù)衰減的關(guān)系，定位節(jié)點與發(fā)射器之間的距離越近,，由信號強度偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差就越小,。當該距離達到某一數(shù)值后，由RSSI波動所造成的絕對距離誤差將會很大,。在實際應用中,，定位節(jié)點會采用RSSI值較大的前幾個參考節(jié)點進行定位計算，以避免定位誤差的擴大,。該技術(shù)硬件要求較低,，算法相對簡單，但由于環(huán)境因素變化的影響,，在實際應用中往往需要改進,。與常見的軟件定位方法相比，CC2431硬件定位引擎具有速度快,、精度高且不占用處理器時間等優(yōu)點,，采用分布式計算方法以避免集中計算方法造成的網(wǎng)絡傳輸與通信延遲的問題。
1.3 軟件系統(tǒng)
    基于Ubuntu系統(tǒng)（內(nèi)核為Linux2.6版本）,，在跨平臺應用程序集成開發(fā)環(huán)境Qt Creator中編寫無線網(wǎng)絡定位圖形化監(jiān)控軟件,，并移植到ARM系統(tǒng)中[6]。串口通信程序設計過程中,，必須創(chuàng)建串口數(shù)據(jù)接收與發(fā)送線程,，并在主函數(shù)體中采用信號/槽機制實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的實時傳遞，具體操作流程如圖3所示,。此方法可以實現(xiàn)移動小車在實驗環(huán)境中初始位置的隨意設定,，且不影響定位精度。

2 試驗研究
    將ZigBee無線網(wǎng)絡中的8個參考節(jié)點(CC2430)按照一定規(guī)則分布于12 m×12 m的室內(nèi)空間,，網(wǎng)關(guān)及定位節(jié)點安裝在移動小車上,。移動小車采用履帶式兩輪驅(qū)動底盤，控制器為S3C2410處理器,，通過串口方式與ZigBee無線網(wǎng)絡中的網(wǎng)關(guān)相連接,。將移動小車放置于8個參考節(jié)點所包含的范圍內(nèi),，方向任意，結(jié)果如圖4所示,。

    在保證網(wǎng)關(guān)成功啟動后,，分別啟動各個參考節(jié)點以及定位節(jié)點，在車載液晶屏上人工設定目標點,。目標點設置完成后,，啟動自動定位功能程序，移動小車將根據(jù)事先設計好的定位算法行走,，直至目標點停止運動,。根據(jù)上述實驗方法進行了8組試驗,，結(jié)果如表1所示,。以歐幾米德距離來衡量定位誤差，經(jīng)數(shù)據(jù)分析可以看出,，小車能實現(xiàn)在未知車頭前進方向的情況下尋找自己前進的方向向量,，并且能夠在行走誤差范圍內(nèi)到達目標點，定位誤差約1.25 m,，基本實現(xiàn)了基于ZigBee的室內(nèi)定位并尋找目標點的試驗目標,。
    鑒于CC2431硬件定位引擎只能在64 m×64 m范圍進行定位計算，對于實際應用而言,，需要增設一個前處理軟件算法,，最大范圍可達16 384 m?；舅悸肥牵菏紫榷ㄎ蛔畲驲SSI值的參考節(jié)點并計算其到64 m×64 m正方形中心的偏移量d,，然后定位其他參考節(jié)點并全部偏移d，再將所有數(shù)據(jù)送入硬件定位引擎計算結(jié)果,，最后累加偏移量d,，從而得到定位節(jié)點的坐標值。而對于三維空間定位而言,，可以用一個字節(jié)表示Z方向,，最多可達256層?？梢酝茢喑?，來自于不同層面的節(jié)點的信號強度要比同一層中的信號強度要低，這就意味著需要更密集的參考節(jié)點布置于實際環(huán)境中,。
    ZigBee技術(shù)是新興的無線通信技術(shù),，網(wǎng)絡功能強大，使用方便,、成本低,、功耗低，應用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V。本文根據(jù)實際應用的需要,，完成了室內(nèi)無線定位系統(tǒng)的設計與ARM嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合和具體實現(xiàn),。該定位系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)和ARM嵌入式技術(shù)，將這種低功耗,、低成本的無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)結(jié)合并應用到了室內(nèi)定位系統(tǒng)中,，拓寬了ZigBee技術(shù)的應用領(lǐng)域。
    在實際的測試場所對該系統(tǒng)進行了測試,，測試結(jié)果表明所設計的系統(tǒng)達到了預期的要求,，系統(tǒng)的定位精度可以滿足室內(nèi)人員等移動目標的定位應用要求，系統(tǒng)具有較高的定位速度,、較低的功耗和低廉的系統(tǒng)成本,，具有較高的實用價值。
參考文獻
[1] WANT R,，HOPPER A,，F(xiàn)ALCAO V，et al.The active badge  location system[J].ACM Transactions on Information systems,January 1992,，40(1)：91-102.
[2] LIONEL M N,，Liu Yunhao，LAU Y C,，et al.LANDMARC：indoor locaion sensing using active RFID[C].IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications,，2003.
[3] PARAMVIR B，VENKATA N P.RADAR：an In-building RF-based user location and tracking system[C].IEEE INFOCOM,，2000,，2：775-784.
[4] PRIYANTHA B.The cricket indoor location system[D]. Boston：Massachusetts Institute of Technology，2005.
[5] 李文仲,，段朝玉.ZigBee2006無線網(wǎng)絡與無線定位實戰(zhàn)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社,，2008.
[6] 韋東山.嵌入式Linux應用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.