基于ZIGBEE技術(shù)的室內(nèi)定位算法研究及應(yīng)用

1、引言
近年來(lái)人們對(duì)于定位技術(shù)的興趣日益增長(zhǎng)，并將其用在了各行各業(yè)。但現(xiàn)存的定位系統(tǒng)，如GPS通常都是在室外工作的，在密集建筑物及室內(nèi)環(huán)境下，由于GPS接收器和衛(wèi)星之間的信號(hào)被阻擋，其性能會(huì)變得很差[1]。而室內(nèi)定位技術(shù)可以滿足人們?nèi)找嬖龆嗟氖覂?nèi)環(huán)境下高精度定位的需求。
以前，室內(nèi)定位可以使用超聲波和紅外線[2]技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于ZIGBEE技術(shù)的室內(nèi)定位方法越來(lái)越受到人們的重視。
2、ZIGBEE
2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
隨著無(wú)線通訊、處理器、低功耗高集成數(shù)字電路、微機(jī)電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)得以產(chǎn)生，其中包含大量的小尺寸、低功耗、低成本傳感器節(jié)點(diǎn)。[3]這些傳感器節(jié)點(diǎn)要么相互之間可以通信，要么可以與外部基站直接通信。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是分散在一個(gè)區(qū)域里，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，彼此協(xié)調(diào)傳輸物理世界的信息。
2.2ZigBee技術(shù)
ZigBee是一種新興的基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的無(wú)線技術(shù)，它是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是由ZigBee聯(lián)盟制定的，聯(lián)盟成員包括國(guó)際著名半導(dǎo)體生產(chǎn)商、技術(shù)提供者、技術(shù)集成商以及最終使用者。由于ZigBee不僅只是802.15.4的代名詞，而且IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟開(kāi)發(fā)了安全層，對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。路由器的主要功能是中轉(zhuǎn)終端設(shè)備的通訊，由于其一直處于活動(dòng)狀態(tài)的，因此必須使用主電源供電。終端設(shè)備直接與傳感器相連，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，由于其可以休眠，因此只需電池供電。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)從器件上又可以分成兩類，一類是全功能器件，另一類是簡(jiǎn)化功能器件。全功能器件可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行通信。它擁有足夠的存儲(chǔ)空間來(lái)存放路由信息，處理能力也更強(qiáng)，主要起到網(wǎng)關(guān)的作用。簡(jiǎn)化功能器件不能成為任何協(xié)商者，它可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)化功能器件是最基本的傳感器節(jié)點(diǎn)，用來(lái)捕獲數(shù)據(jù)信息并傳遞給其范圍內(nèi)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以支持最多31個(gè)的傳感器和受控設(shè)備。
ZigBee技術(shù)成功的關(guān)鍵不在于技術(shù)本身，而在于豐富而便捷的應(yīng)用。在使用GPS效果差的室內(nèi)局部區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)的定位應(yīng)用方面，正好可以利用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3、無(wú)線定位技術(shù)
無(wú)線定位技術(shù)是指通過(guò)對(duì)設(shè)備接收到的無(wú)線電波的參數(shù)如傳輸時(shí)間、相位、信號(hào)幅度(強(qiáng)度)及到達(dá)角等進(jìn)行一些測(cè)量，然后根據(jù)特定算法計(jì)算出被測(cè)物體的位置，定位的精度取決于測(cè)量方法、精度以及所采用的算法。
無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制的常用方法是，網(wǎng)絡(luò)中的少量節(jié)點(diǎn)可以知道自身的精確位置即作為錨節(jié)點(diǎn)，然后將這些錨節(jié)點(diǎn)作為參照基準(zhǔn)，按照某種定位機(jī)制，對(duì)其他大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行正確定位。錨節(jié)點(diǎn)是已知自身精確位置的節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中所占的比例很小，作用是協(xié)助移動(dòng)或其他節(jié)點(diǎn)定位。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與臨近的錨節(jié)點(diǎn)交互，根據(jù)一定的定位算法計(jì)算出自身所在的位置。
目前已經(jīng)有了大量關(guān)于無(wú)線設(shè)備間距離估計(jì)和定位的研究。在基于測(cè)距的定位算法中，現(xiàn)有的測(cè)量2個(gè)無(wú)線設(shè)備間距離的技術(shù)大致有：接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)、到達(dá)時(shí)間(TOA)、時(shí)間差(TDOA)和到達(dá)角度(AOA)，以RSSI和TDOA兩種方法最為常用。
AOA：角度到達(dá)AOA的原理是根據(jù)基站發(fā)送信號(hào)到達(dá)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的角度，利用角度關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的定位，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)使用陣列天線或多個(gè)超聲波接收器的結(jié)合，來(lái)進(jìn)行信號(hào)到達(dá)方向的測(cè)量。[4]它是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種測(cè)距技術(shù)，被應(yīng)用在較高精度的定位系統(tǒng)中。但AOA技術(shù)容易受到外界環(huán)境的干擾，且需要額外硬件支持，在硬件的尺寸和功耗上不適用于大規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
TOA：基于TOA的定位方法通過(guò)估計(jì)法計(jì)算無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的距離，根據(jù)信號(hào)的傳播速度和傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算的。我們只要測(cè)量出信號(hào)發(fā)射的時(shí)間和接收到信號(hào)的時(shí)間，兩個(gè)時(shí)間差就是信號(hào)傳播的時(shí)間，這樣就可以估算節(jié)點(diǎn)間的距離了。最后再通過(guò)已有的定位算法來(lái)計(jì)算被定位節(jié)點(diǎn)的具體位置。TOA技術(shù)的應(yīng)用會(huì)受到節(jié)點(diǎn)硬件尺寸、價(jià)格和功耗的限制，與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)小型化、低成本和低功耗的要求是相反的。
TDOA：通常是在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)上安裝超聲波和無(wú)線電信號(hào)收發(fā)器，這樣接收信號(hào)節(jié)點(diǎn)就可以根據(jù)這兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離。已有多種定位算法使用TDOA實(shí)現(xiàn)測(cè)距，該技術(shù)的測(cè)距精度較RSSI高。相比TOA方法而言，TDOA方法只要求無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)之間滿足時(shí)間同步要求，但它同樣存在加裝額外裝置導(dǎo)致成本和能耗偏高的問(wèn)題。
RSSI：通過(guò)接收到的信號(hào)能量損耗來(lái)測(cè)定發(fā)送點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算的一種定位技術(shù)。其只需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，不需任何附加節(jié)點(diǎn)就可以完成距離的估算，無(wú)需額外的硬件設(shè)備，滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本的要求。但其信號(hào)的傳播會(huì)受到周圍環(huán)境的影響，如溫度、障礙物等對(duì)信號(hào)損耗程度就會(huì)造成很大影響，此外無(wú)線傳輸芯片所使用的天線也在很大程度上會(huì)對(duì)傳播信號(hào)產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致精度會(huì)降低，如果使用合適的算法，則可以達(dá)到較理想的應(yīng)用效果。
4、室內(nèi)定位
在室內(nèi)定位應(yīng)用方面，RSSI技術(shù)受到了更多的關(guān)注。主要因?yàn)槠鋺?yīng)用比較簡(jiǎn)便，在部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)容易實(shí)現(xiàn)，通常只需要軟件的修改。而指紋識(shí)別定位算法是目前RSSI使用最廣泛的算法。指紋識(shí)別定位算法具有良好的性能，從而變得越來(lái)越流行，可以提供高精確度的定位。這種算法可分為兩個(gè)過(guò)程：離線校準(zhǔn)階段和在線定位階段。離線校準(zhǔn)階段的主要工作是在需定位區(qū)域內(nèi)的若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)位置進(jìn)行接收信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量，連同這些測(cè)量點(diǎn)的位置信息一同保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，這些被保存的信息即為“位置指紋”。在線定位階段是將實(shí)時(shí)測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度信息與位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行比較，采取匹配算法，將信號(hào)強(qiáng)度最接近的位置作為估計(jì)位置。
例如在地下停車場(chǎng)中車輛定位和監(jiān)控是很重要的，在礦井下人員的定位也很重要，這些都是典型的室內(nèi)定位的例子。都可以使用基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，而基于RSSI指紋算法可以顯著提高室內(nèi)環(huán)境的定位精度。
5、結(jié)語(yǔ)
目前，常見(jiàn)的定位技術(shù)有很多，在基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位應(yīng)用方面，考慮到成本、定位精度、環(huán)境適應(yīng)性等各種情況，應(yīng)該選擇RSSI以及指紋識(shí)別定位算法來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位。并且還可通過(guò)多種定位算法的結(jié)合、互補(bǔ)來(lái)進(jìn)一步減小定位誤差，增加節(jié)點(diǎn)的定位精度。