基于ZigBee的定位系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的探討

ZigBee無線通信技術(shù)具有定位精度高、成本較低等特點,以該技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的各種定位系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景。通過對室內(nèi)定位通信技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn),該技術(shù)應(yīng)用于小型的室內(nèi)環(huán)境定位效果良好,定位精度相對較高,相關(guān)的研究方法和結(jié)論可以為開發(fā)大型的定位系統(tǒng)如地下礦井人員定位系統(tǒng)提供決策性依據(jù)[1-4]。目前,很多定位系統(tǒng)的設(shè)計都是基于算法的改進和硬件的更新,忽視了具體環(huán)境的影響。為此,筆者對基于ZigBee的定位系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)進行了探討。

1 ZigBee無線通信技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5]。ZigBee工作在國際免授權(quán)的2.4GHz頻段上,具有250kbps的最高數(shù)據(jù)傳輸率。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在3種邏輯設(shè)備類型,即協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器以及多個路由器和終端設(shè)備組成。

1.1 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4,IEEE 802.15.4是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項標準,但其僅能處理低級物理層 (PHY)和媒體訪問控制層 (MAC)。因此,Zigbee聯(lián)盟擴展了IEEE,對其網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)和應(yīng)用層 (API)進行了標準化。

1.2 ZigBee的特點

ZigBee的特點具體表現(xiàn)在如下幾方面:①研發(fā)成本低。通過大幅簡化協(xié)議降低了對通信控制器的要求。②功耗低。低耗電待機模式下非常節(jié)電。③容量高。采用星狀、網(wǎng)狀等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行層層管理。④通信時延短。時延都在15～30ms之間。⑤可靠性高。3級安全模式確定其安全屬性。

2 室內(nèi)定位系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的研究

2.1 定位原理

CC2431是一個ZigBee片上系統(tǒng),其滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz(該頻段免費)ISM(Industrial Scientific Medical,工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué))頻段應(yīng)用及對低成本、低功耗的要求。在常用的定位算法中,定位節(jié)點(終端設(shè)備)選用CC2431,參考節(jié)點 (路由器)和網(wǎng)關(guān) (協(xié)調(diào)器)都選用CC2430,CC2430和CC2431內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)相似,CC2430只比CC2431少一個定位引擎[1]。

圖1 節(jié)點在上位機中的分布

2.2 室內(nèi)定位系統(tǒng)A、N值分析

測試試驗的運行環(huán)境為IAR Embedded Work Bench(EW8051)集成開發(fā)環(huán)境 7.20H版本,包含Z-Stack v1.4.2協(xié)議棧、SmartRF Flash Programmer工具軟件和Genneral Packet Sniffer協(xié)議分析軟件。首先選用TI公司的2Z-Location_Engine上位機定位軟件,在測試區(qū)域為64m×64m的操作區(qū),選取5個參考節(jié)點和1個定位節(jié)點,根據(jù)需要調(diào)整參考節(jié)點擺放的位置,而擺放的位置發(fā)生變化時相應(yīng)的坐標也應(yīng)隨之改變。改變 A、N的值,定位精度會有所不同,經(jīng)過反復(fù)嘗試,得出A值取39、N值取27時,精度較高。試驗相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 相關(guān)試驗數(shù)據(jù)

從表1可以看出,第5組和第9組數(shù)據(jù)中測試數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)的X值相差過大,參考性不大。第4、7、8組測試數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)的X值和Y值偏差都在1m之內(nèi),效果比較理想。第2、3、6組的精度也比較高,其X值偏差都在1.6m以內(nèi),Y值偏差也都在1m之內(nèi)。另外,第1組測試數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)的X值偏差在1m以內(nèi),Y值偏差超過了1m,而第10組測試數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)的Y值偏差在1m之內(nèi),X值偏差超過了3m,但對整體數(shù)據(jù)沒有太大的影響,仍可認為是有效數(shù)據(jù)。因此,當(dāng)A值取39、N值取27時,室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度在1～2m之內(nèi),定位效果比較理想。

為了更好的探討相關(guān)的定位環(huán)境,筆者編寫了一個上位機軟件,該軟件的界面環(huán)境為模擬地下礦井。當(dāng)把參考節(jié)點的實際位置坐標事先設(shè)定在地下礦井中的某個礦道兩側(cè)時,得出的定位節(jié)點位置坐標會顯示出來。通過模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)A值取39、N值取27時,CC2431定位節(jié)點朝某個方向直線移動時,監(jiān)控界面中的 “礦工”在礦井通道里比較平穩(wěn)的移動,路線并沒有出現(xiàn)太大的跳躍和波折 (見圖2),從而進一步說明在室內(nèi)環(huán)境下,通過測試試驗確定的A、N值是合理的。

圖2 上位機監(jiān)控界面

3 結(jié) 語

應(yīng)用ZigBee技術(shù)可實現(xiàn)室內(nèi)定位,以該技術(shù)為基礎(chǔ)的定位系統(tǒng)對環(huán)境的依賴性比較強,要提高定位精度,在總體設(shè)計時應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響。通過測試試驗,具體分析了室內(nèi)定位系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)A、N值。結(jié)果表明,當(dāng)A值取39、N值取27時,室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度在1～2m之內(nèi),定位效果比較理想。另外,地下停車場和大型礦井井下人員的定位等可以該系統(tǒng)為參考,通過對環(huán)境參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整,也可以獲得更好的定位精度。

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