??? 摘? 要： 介紹了ZigBee定位的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(wú)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。現(xiàn)在人們對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng)的需求也與日俱增，機(jī)場(chǎng)、展廳、寫字樓、倉(cāng)庫(kù)、地下停車場(chǎng)、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(jiǎn)介
ZigBee是一種新興的短距離、架構(gòu)簡(jiǎn)單、低消耗功率與低傳輸速率無(wú)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(hào)強(qiáng)度
節(jié)點(diǎn)：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，是構(gòu)成ZigBee無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，固定于定位區(qū)域，作為參照系與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)一起對(duì)該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。
移動(dòng)節(jié)點(diǎn)：簡(jiǎn)易無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，由移動(dòng)目標(biāo)攜帶，如礦工，在定位區(qū)域移動(dòng)，與參考節(jié)點(diǎn)一起對(duì)自身進(jìn)行定位。
LQI(Link Quality Indicator)：鏈路信號(hào)質(zhì)量[1]。
2 定位系統(tǒng)的構(gòu)成
無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)：利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境合理布局，組成一套ZigBee無(wú)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)?。定位網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點(diǎn)將接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息(RSSI和LQI)，傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理。
移動(dòng)節(jié)點(diǎn)：利用低價(jià)ZigBee無(wú)線模塊(只完成無(wú)線收發(fā)不需要網(wǎng)絡(luò)功能的RFD模塊)，制成一個(gè)便攜式的移動(dòng)裝置。
定位應(yīng)用算法：上位機(jī)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送回來(lái)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息，用一定方法進(jìn)行解算，得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息。上位機(jī)對(duì)該位置信息進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示等處理。
3 定位原理與方法
從算法采用的手段來(lái)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。基于距離的算法通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度信息，使用三邊測(cè)量、三角測(cè)量或最大似然估計(jì)定位法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置。常用的測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位[2]。
本實(shí)驗(yàn)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(cè)量接收功率，通過(guò)測(cè)量接收到的信號(hào)強(qiáng)度可以推算出移動(dòng)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(guò)程中，需要利用ZigBee兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：(1)ZigBee節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)。每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都有64位的永久地址，作為其唯一性標(biāo)識(shí)?？梢詫⑦@個(gè)地址映射為對(duì)應(yīng)用層有意義的名字，從而可對(duì)每個(gè)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(wú)線信號(hào)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(guò)程和計(jì)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(dòng)節(jié)點(diǎn)分別接收到與參考節(jié)點(diǎn)間的LQI，用LQI計(jì)算出到相鄰節(jié)點(diǎn)的距離，用三角函數(shù)方法計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[3]。
這里舉一個(gè)例子來(lái)計(jì)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(gè)參考點(diǎn)分別是A1、A2、A4、A5，最近的三個(gè)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(jì)算出了一組定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)：(12.9875，17.0125)。
??? (2)一點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度定位。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同的位置接收信號(hào)時(shí)，因距參考節(jié)點(diǎn)距離遠(yuǎn)近的不同，所收到的信號(hào)強(qiáng)度也不同。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到最近的參考節(jié)點(diǎn)的LQI值后，通過(guò)計(jì)算或比照，確定移動(dòng)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(hào)強(qiáng)度定位。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到相鄰兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)，計(jì)算其差值，確定移動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，當(dāng)作為移動(dòng)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(shí)驗(yàn)，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(chǎng)地，如大型倉(cāng)庫(kù)等，不適用于煤礦井下巷道等場(chǎng)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(shì)；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(gè)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(shí)測(cè)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(cè)試環(huán)境較為理想，而我們的測(cè)試環(huán)境里，環(huán)境干擾較大。
利用LQI強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算移動(dòng)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(hào)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(guò)30 m后，LQI強(qiáng)度曲線趨于平坦，故定位距離不能超過(guò)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(hào)的不穩(wěn)定性對(duì)兩點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度定位法的影響更大，以致誤差更大。圖3為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線。
??? (4)固定點(diǎn)定位的效果較為理想。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)經(jīng)過(guò)某參考節(jié)點(diǎn)時(shí)，能準(zhǔn)確捕捉到臨近參考節(jié)點(diǎn)的LQI信號(hào)的最大值，通過(guò)合理設(shè)置信號(hào)門限，確定離移動(dòng)節(jié)點(diǎn)最近的參考節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位。該移動(dòng)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(dòng)節(jié)點(diǎn)仍在原來(lái)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(hào)強(qiáng)度不穩(wěn)定之淺析
(1)該器件工作在2.4 GHz，波長(zhǎng)約13 cm，屬分米波范圍，反射、折射效應(yīng)較強(qiáng)。LQI強(qiáng)度會(huì)受到多徑干擾影響。
(2)該器件是微功耗器件，空間信號(hào)強(qiáng)度很低，在受到遮擋時(shí)，信號(hào)衰減較大。
(3)ZigBee所采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，其信號(hào)強(qiáng)度在空間的分布是非線性的。
在實(shí)驗(yàn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)定位可靠，定位性能穩(wěn)定。但同時(shí)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(hào)是通過(guò)充當(dāng)路由的參考節(jié)點(diǎn)，一級(jí)一級(jí)傳送回上位機(jī)的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，路由級(jí)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(gè)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(shí)用性不強(qiáng)。
參考文獻(xiàn)
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