??? 摘? 要： 介紹了ZigBee定位的基本原理和實現(xiàn)方法,，并結(jié)合實驗結(jié)果分析其優(yōu)缺點(diǎn),。
??? 關(guān)鍵詞： ZigBee,；定位；RSSI,；LQI
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目前比較成熟并得到大范圍應(yīng)用推廣的無線定位技術(shù)是GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng),，但在室內(nèi)定位和市區(qū)多遮擋的情況下定位,，GPS的效果差強(qiáng)人意，需要有其他的定位技術(shù)去彌補(bǔ)GPS的不足?，F(xiàn)在人們對室內(nèi)定位系統(tǒng)的需求也與日俱增,，機(jī)場、展廳,、寫字樓,、倉庫、地下停車場,、監(jiān)獄,、軍事訓(xùn)練基地等都需要使用準(zhǔn)確的室內(nèi)定位信息。
1 ZigBee簡介
ZigBee是一種新興的短距離,、架構(gòu)簡單,、低消耗功率與低傳輸速率無線通訊技術(shù)，其傳輸距離約為數(shù)十公尺,，使用頻段為免費(fèi)的2.4 GHz與900 MHz頻段,，傳輸速率為20 Kb/s至250 Kb/s，網(wǎng)路架構(gòu)具備Master/Slave屬性,，并可達(dá)到雙向通信,。
RSSI：鏈路信號強(qiáng)度
節(jié)點(diǎn)：無線網(wǎng)絡(luò)模塊，是構(gòu)成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)基本單位,，擔(dān)負(fù)路由,、終端、RSSI指示等功能,。
參考節(jié)點(diǎn)：無線網(wǎng)絡(luò)模塊,，固定于定位區(qū)域，作為參照系與移動節(jié)點(diǎn)一起對該移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位,。
移動節(jié)點(diǎn)：簡易無線網(wǎng)絡(luò)模塊,，由移動目標(biāo)攜帶，如礦工,，在定位區(qū)域移動,，與參考節(jié)點(diǎn)一起對自身進(jìn)行定位,。
LQI(Link Quality Indicator)：鏈路信號質(zhì)量[1],。
2 定位系統(tǒng)的構(gòu)成
無線定位網(wǎng)絡(luò)：利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊，根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境合理布局,，組成一套ZigBee無線定位骨干網(wǎng)絡(luò),，網(wǎng)絡(luò)形態(tài)可以是鏈狀或網(wǎng)狀拓?fù)洹６ㄎ痪W(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點(diǎn)將接收到移動節(jié)點(diǎn)信息(RSSI和LQI),，傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理,。
移動節(jié)點(diǎn)：利用低價ZigBee無線模塊(只完成無線收發(fā)不需要網(wǎng)絡(luò)功能的RFD模塊),，制成一個便攜式的移動裝置。
定位應(yīng)用算法：上位機(jī)對無線網(wǎng)絡(luò)傳送回來的移動節(jié)點(diǎn)信息,，用一定方法進(jìn)行解算,，得到移動節(jié)點(diǎn)的位置信息。上位機(jī)對該位置信息進(jìn)行存儲,、顯示等處理,。
3 定位原理與方法
從算法采用的手段來看，ZigBee定位算法可以分為兩大類：基于距離的算法和非基于距離的算法,?；诰嚯x的算法通過測量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度信息，使用三邊測量,、三角測量或最大似然估計定位法計算節(jié)點(diǎn)位置,。常用的測距技術(shù)有RSSI、LQI,；非基于距離的算法則不需要距離和角度信息,，算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息來實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位[2]。
本實驗采用的定位算法前三種主要是基于距離的算法,，在已知發(fā)射功率的情況下,，在接收點(diǎn)測量接收功率，通過測量接收到的信號強(qiáng)度可以推算出移動節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的距離,。第四種是非基于距離的算法,。
在定位過程中，需要利用ZigBee兩個關(guān)鍵技術(shù)：(1)ZigBee節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識,。每個ZigBee節(jié)點(diǎn)都有64位的永久地址,，作為其唯一性標(biāo)識?？梢詫⑦@個地址映射為對應(yīng)用層有意義的名字,，從而可對每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份辨認(rèn)。(2)定位判定,。位置判斷的依據(jù)為無線信號參數(shù)LQI,，位置判斷的精度取決于路由節(jié)點(diǎn)分布的密度。
定位的過程和計算主要有四種方法：
(1)網(wǎng)格定位,。如圖1所示,，將ZigBee定位參考節(jié)點(diǎn)，以等間距布置成網(wǎng)格狀,，移動節(jié)點(diǎn)分別接收到與參考節(jié)點(diǎn)間的LQI,，用LQI計算出到相鄰節(jié)點(diǎn)的距離，用三角函數(shù)方法計算移動節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[3],。
這里舉一個例子來計算坐標(biāo)值,。假設(shè)參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的位置如圖1所示,。
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從分布圖中可以看出，如果在理想的情況下,，與定位點(diǎn)最近的4個參考點(diǎn)分別是A1,、A2、A4,、A5,，最近的三個參考節(jié)點(diǎn)是A1、A4,、A5,。根據(jù)三角公式可求得：P點(diǎn)的X坐標(biāo)為17.0125；P點(diǎn)的Y坐標(biāo)為12.9875,。這樣就計算出了一組定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)：(12.9875,，17.0125)。
??? (2)一點(diǎn)信號強(qiáng)度定位,。移動節(jié)點(diǎn)在不同的位置接收信號時,，因距參考節(jié)點(diǎn)距離遠(yuǎn)近的不同，所收到的信號強(qiáng)度也不同,。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)接收到最近的參考節(jié)點(diǎn)的LQI值后,，通過計算或比照，確定移動節(jié)點(diǎn)的位置,。以參考點(diǎn)為原點(diǎn)坐標(biāo),，單位m，參考節(jié)點(diǎn)距離30 m,，如表1所示,。
(3)兩點(diǎn)信號強(qiáng)度定位。移動節(jié)點(diǎn)接收到相鄰兩個參考節(jié)點(diǎn)信號,，計算其差值,，確定移動點(diǎn)位置。其中LQIA為參考節(jié)點(diǎn)A的LQI值,，LQIB為參考節(jié)點(diǎn)B的LQI值,，以參考節(jié)點(diǎn)A的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，單位m,，參考節(jié)點(diǎn)距離30 m,。結(jié)果如表2所示。
??? (4)固定點(diǎn)定位,。將收到最大LQI值的那個節(jié)點(diǎn)的位置,，當(dāng)作為移動節(jié)點(diǎn)位置,。此方法需要較小的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距,，精度也較低,。
4 定位效果
(1)關(guān)于網(wǎng)格定位法。參考節(jié)點(diǎn)間距設(shè)為20～30 m,，參考節(jié)點(diǎn)數(shù)為4~8塊,。參考節(jié)點(diǎn)數(shù)多，間距小,，效果較好,，精度較高，反之效果較差,。經(jīng)實驗,，估算精度為3～5 m，但有位置跳躍現(xiàn)象,。
該定位法依賴于較開闊的場地,，如大型倉庫等，不適用于煤礦井下巷道等場合,。
(2)LQI值與距離的關(guān)系,。從圖2中我們可以觀察到幾點(diǎn)規(guī)律：①LQI值隨距離增加，呈衰減趨勢,；②曲線在20 m后逐漸平坦,，30 m后趨于水平；③曲線在約8 m附近有一個凹陷,，該點(diǎn)最低LQI值有可能低與34 m處LQI值,；④在任一距離上，LQI值變化幅度很大,，例如,，在40 m處LQI值最低為5，最高為32,，各距離上最大變化幅度大于30,。
??? (3)利用LQI的定位效果
實測數(shù)據(jù)與該曲線相似，只是LQI變化幅度更大,。分析原因是供貨商所使用的測試環(huán)境較為理想,，而我們的測試環(huán)境里，環(huán)境干擾較大,。
利用LQI強(qiáng)度參數(shù)計算移動節(jié)點(diǎn)的距離,，需要依靠LQI參數(shù)的線性規(guī)律、穩(wěn)定準(zhǔn)確的LQI信號值以及曲線有一定斜率,。由以上分析,，我們可以得出以下結(jié)論：①超過30 m后，LQI強(qiáng)度曲線趨于平坦,，故定位距離不能超過30 m,；②LQI強(qiáng)度曲線線性特征不好,，其中8 m附近的凹陷較為致命；③利用LQI強(qiáng)度值定位誤差較大,，最大誤差約23 m,。④LQI信號的不穩(wěn)定性對兩點(diǎn)信號強(qiáng)度定位法的影響更大，以致誤差更大,。圖3為實測數(shù)據(jù)曲線,。
??? (4)固定點(diǎn)定位的效果較為理想。移動節(jié)點(diǎn)在移動過程中,，當(dāng)經(jīng)過某參考節(jié)點(diǎn)時,，能準(zhǔn)確捕捉到臨近參考節(jié)點(diǎn)的LQI信號的最大值，通過合理設(shè)置信號門限,，確定離移動節(jié)點(diǎn)最近的參考節(jié)點(diǎn),，進(jìn)而實現(xiàn)定位。該移動節(jié)點(diǎn)未到達(dá)另一參考節(jié)點(diǎn)之前,，系統(tǒng)認(rèn)為移動節(jié)點(diǎn)仍在原來位置,。該方法可適應(yīng)較復(fù)雜環(huán)境，定位可靠,，缺點(diǎn)是定位精度不高,，定位精度相當(dāng)于參考節(jié)點(diǎn)的間距。
5 LQI信號強(qiáng)度不穩(wěn)定之淺析
(1)該器件工作在2.4 GHz,，波長約13 cm,，屬分米波范圍，反射,、折射效應(yīng)較強(qiáng),。LQI強(qiáng)度會受到多徑干擾影響。
(2)該器件是微功耗器件,，空間信號強(qiáng)度很低,，在受到遮擋時，信號衰減較大,。
(3)ZigBee所采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù),，其信號強(qiáng)度在空間的分布是非線性的。
在實驗中,，我們采用了固定點(diǎn)定位法,，并取得了較好的定位效果。移動節(jié)點(diǎn)定位可靠,，定位性能穩(wěn)定,。但同時也應(yīng)注意到該定位法定位精度較低，如果想提高定位精度，必須提高參考節(jié)點(diǎn)的密度,，這不利于控制應(yīng)用系統(tǒng)的成本,。
該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，遠(yuǎn)端的信號是通過充當(dāng)路由的參考節(jié)點(diǎn),，一級一級傳送回上位機(jī)的。根據(jù)經(jīng)驗,，路由級數(shù)最大只能到二十幾跳,。如果定位精度要達(dá)到50 m，必須每50 m設(shè)置一個參考節(jié)點(diǎn),，那系統(tǒng)的最大定位范圍是1 km,；如果定位精度要達(dá)到10 m，系統(tǒng)的最大定位范圍只有200 m,，實用性不強(qiáng),。
參考文獻(xiàn)
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[3] 李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2008.