基于ZigBee技術的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設計

引言

　　隨著數(shù)據(jù)業(yè)務和多媒體業(yè)務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內(nèi)環(huán)境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場等環(huán)境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內(nèi)的位置。但是受定位時間、定位精度以及室內(nèi)復雜環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術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)絡技術，它最顯著的特點是低功耗和低成本。利用ZigBee技術實現(xiàn)定位具有低成本、低功耗的優(yōu)點，且信號傳輸不受視距的影響。

1 相關核心技術概述

1.1 ZigBee技術概述

　　ZigBee技術[1]是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)率、低復雜度的雙向無線通信技術，它是基于IEEE 802.15.4標準開發(fā)的無線協(xié)議。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE 802.15.4負責物理層和鏈路層標準。完整的ZigBee協(xié)議套件由應用層、應用架構層、網(wǎng)絡層以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層等組成，協(xié)議棧結構如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結構

　　ZigBee可使用的頻段有3個，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz 頻段以及美國的915 MHz 頻段，不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。中國采用2.4 GHz頻段，它是免申請和免使用費的頻段；采用直接序列擴頻技術DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，傳輸距離介于10~75 m（增加RF發(fā)射功率，可達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技術具有強大的組網(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

　　RSSI[2]（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示）是指節(jié)點接收到的無線信號強度大小。在基于接收信號強度指示RSSI 的定位中,已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度,接收節(jié)點根據(jù)接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗,利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離,再利用已有的算法計算出節(jié)點的位置。該技術硬件要求較低、算法相對簡單,在實驗室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性;但由于環(huán)境因素變化的原因,在實際應用中往往還需要改進。接收信號強度是發(fā)射功率和發(fā)射器與接收器間距離的函數(shù)。

　　接收信號強度RSSI理論值可由式 (1)表示：

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

其中，n代表信號傳播常量，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時的接收信號強度。

　　信號的衰減與距離成對數(shù)衰減的關系。節(jié)點到信號源的距離越近, 由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差越小；而當距離大于某一值時,由RSSI波動造成的絕對距離誤差將會很大。一個未知節(jié)點可能收到n個參考節(jié)點的信號, 所以應當采用RSSI值大的前幾個參考節(jié)點進行定位計算，這樣可以避免定位誤差擴大。

2 ZigBee技術實現(xiàn)定位的優(yōu)勢

(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設備非常省電。ZigBee設備僅靠2節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，其功耗遠遠低于其他無線設備。

(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)議是免專利費的。

(3) 時延短

　　通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。因此ZigBee技術適用于對實時定位要求較高的應用。

(4) 網(wǎng)絡容量大

　　一個星型結構的ZigBee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，組網(wǎng)方式靈活。隨著ZigBee技術的成熟，未來ZigBee設備不斷增多，可以利用具有ZigBee RF的設備或基礎設施,容易組建ZigBee網(wǎng)絡，降低了ZigBee節(jié)點設計和組網(wǎng)成本,且利用更多的ZigBee設備可以達到更高的定位精度。

3 室內(nèi)定位系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)結構

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

圖2 系統(tǒng)結構圖