??? 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。
??? 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的效果差強人意，需要有其他的定位技術(shù)去彌補GPS的不足。現(xiàn)在人們對室內(nèi)定位系統(tǒng)的需求也與日俱增，機場、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，并可達到雙向通信。
RSSI：鏈路信號強度
節(jié)點：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)負路由、終端、RSSI指示等功能。
參考節(jié)點：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)點一起對該移動節(jié)點進行定位。
移動節(jié)點：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)點一起對自身進行定位。
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)狀拓撲。定位網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點將接收到移動節(jié)點信息(RSSI和LQI)，傳送到上位機進行處理。
移動節(jié)點：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：上位機對無線網(wǎng)絡(luò)傳送回來的移動節(jié)點信息，用一定方法進行解算，得到移動節(jié)點的位置信息。上位機對該位置信息進行存儲、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，在接收點測量接收功率，通過測量接收到的信號強度可以推算出移動節(jié)點到參考節(jié)點的距離。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)點的標(biāo)識。每個ZigBee節(jié)點都有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)點進行身份辨認。(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，以等間距布置成網(wǎng)格狀，移動節(jié)點分別接收到與參考節(jié)點間的LQI，用LQI計算出到相鄰節(jié)點的距離，用三角函數(shù)方法計算移動節(jié)點的坐標(biāo)[3]。
這里舉一個例子來計算坐標(biāo)值。假設(shè)參考節(jié)點和定位節(jié)點的位置如圖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，與定位點最近的4個參考點分別是A1、A2、A4、A5，最近的三個參考節(jié)點是A1、A4、A5。根據(jù)三角公式可求得：P點的X坐標(biāo)為17.0125；P點的Y坐標(biāo)為12.9875。這樣就計算出了一組定位節(jié)點坐標(biāo)：(12.9875，17.0125)。
??? (2)一點信號強度定位。移動節(jié)點在不同的位置接收信號時，因距參考節(jié)點距離遠近的不同，所收到的信號強度也不同。當(dāng)移動節(jié)點接收到最近的參考節(jié)點的LQI值后，通過計算或比照，確定移動節(jié)點的位置。以參考點為原點坐標(biāo)，單位m，參考節(jié)點距離30 m，如表1所示。
(3)兩點信號強度定位。移動節(jié)點接收到相鄰兩個參考節(jié)點信號，計算其差值，確定移動點位置。其中LQIA為參考節(jié)點A的LQI值，LQIB為參考節(jié)點B的LQI值，以參考節(jié)點A的位置為坐標(biāo)原點，單位m，參考節(jié)點距離30 m。結(jié)果如表2所示。
??? (4)固定點定位。將收到最大LQI值的那個節(jié)點的位置，當(dāng)作為移動節(jié)點位置。此方法需要較小的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間距，精度也較低。
4 定位效果
(1)關(guān)于網(wǎng)格定位法。參考節(jié)點間距設(shè)為20～30 m，參考節(jié)點數(shù)為4~8塊。參考節(jié)點數(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強度參數(shù)計算移動節(jié)點的距離，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強度曲線趨于平坦，故定位距離不能超過30 m；②LQI強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)定性對兩點信號強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)固定點定位的效果較為理想。移動節(jié)點在移動過程中，當(dāng)經(jīng)過某參考節(jié)點時，能準(zhǔn)確捕捉到臨近參考節(jié)點的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)點最近的參考節(jié)點，進而實現(xiàn)定位。該移動節(jié)點未到達另一參考節(jié)點之前，系統(tǒng)認為移動節(jié)點仍在原來位置。該方法可適應(yīng)較復(fù)雜環(huán)境，定位可靠，缺點是定位精度不高，定位精度相當(dāng)于參考節(jié)點的間距。
5 LQI信號強度不穩(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。LQI強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所采用直接序列擴頻技術(shù)，其信號強度在空間的分布是非線性的。
在實驗中，我們采用了固定點定位法，并取得了較好的定位效果。移動節(jié)點定位可靠，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，遠端的信號是通過充當(dāng)路由的參考節(jié)點，一級一級傳送回上位機的。根據(jù)經(jīng)驗，路由級數(shù)最大只能到二十幾跳。如果定位精度要達到50 m，必須每50 m設(shè)置一個參考節(jié)點，那系統(tǒng)的最大定位范圍是1 km；如果定位精度要達到10 m，系統(tǒng)的最大定位范圍只有200 m，實用性不強。
參考文獻
[1] 李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.
[2] 呂治安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.
[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.