一種基于ZIGBEE基站的室內(nèi)定位技術(shù)研究

單志林　王勇攀　干露

[摘 要]提供一種基于Zigbee基站無(wú)線通信檢測(cè)技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，該基站由片上SOC的CC2530及其無(wú)線射頻系統(tǒng)組成，在需要定位的空間內(nèi)，每隔50～100米固定布置一個(gè)位置基站，該位置基站定時(shí)的發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，當(dāng)需要定位的未知節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)信號(hào)后，即可通過(guò)三點(diǎn)定位法，獲得未知節(jié)點(diǎn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗大，組網(wǎng)成本高的問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]室內(nèi)定位 Zigbee RSSI三環(huán)定位方法 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TP36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）05-0345-01

1 背景概述

目前對(duì)于室內(nèi)物品及人員的位置感知計(jì)算及基于位置信息的服務(wù)已越來(lái)越多，其滿(mǎn)足于社會(huì)發(fā)展技術(shù)更迭中行業(yè)細(xì)分領(lǐng)域的服務(wù)需求，如工業(yè)區(qū)大型設(shè)備查找及定位，煤礦地下設(shè)備及人員定位，醫(yī)院老殘智障人員查找及跟蹤等。

國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者提出一系列室內(nèi)定位的解決方案，如超聲波定位，wi-fi定位，藍(lán)牙定位，Zigbee定位，紅外線技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位技術(shù)等。本文提出的Zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。通過(guò)2.4G自組網(wǎng)協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)多達(dá)65536個(gè)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)傳感器無(wú)線通信，廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域。

Zigbee定位技術(shù)的特點(diǎn)

室內(nèi)定位系統(tǒng)面臨著多種復(fù)雜問(wèn)題，如室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜度高，室內(nèi)具有多種不確定因素及設(shè)備會(huì)阻隔或反射無(wú)線射頻信號(hào)，且室內(nèi)定位要求精度高，一般在5米以?xún)?nèi)及更高的精度，為考慮到安全因素，會(huì)對(duì)室內(nèi)無(wú)線信號(hào)的功率要求，該無(wú)線射頻信號(hào)一般選用微弱功率信號(hào)。

IEEE 802.15.4/Zigbee無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展為該技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位提供了廣闊的前景。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位系統(tǒng)具有功耗低、成本低、實(shí)用性廣的特點(diǎn)。本文中提出的基于RSSI的Zigbee無(wú)線室內(nèi)定位系統(tǒng)，RSSI為接收器接收到的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度指示，通常，RSSI等價(jià)于被測(cè)量設(shè)備發(fā)出信號(hào)的功率，理論上該信號(hào)強(qiáng)度經(jīng)過(guò)一定的空間距離后會(huì)衰減，該信號(hào)強(qiáng)度的衰減量可被俠義的設(shè)定為該發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備的距離差。該系統(tǒng)可以選擇集中式的定位服務(wù)區(qū)或者讓移動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)自定位的兩種方式而使系統(tǒng)具有更大的靈活性。

基于SOC的CC2530解決方案

CC2530具有高達(dá)128K的可編程flash，8Kb的RAM，強(qiáng)大的5通道DMA，通用定時(shí)器（一個(gè)16 位定時(shí)器，一個(gè)8 位定時(shí)器），具有8 路輸入和可配置分辨率的12 位ADC，21 個(gè)通用I/O？引腳（19×4 mA，2×20 mA），具有看門(mén)狗定時(shí)器，具有2.4G 無(wú)線射頻模塊。

CC2530為 Zigbee基站核心處理單元，通過(guò)自帶的ADC單元定時(shí)進(jìn)行電量采集并上報(bào)，便于監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)其電量；通過(guò)IO口外接DS18B20溫度傳感器，測(cè)量溫度參數(shù)，用于監(jiān)控中心對(duì)基站及其外界環(huán)境溫度的監(jiān)控及報(bào)警；通過(guò)RS485總線，建立與服務(wù)器端的通信，定時(shí)將待測(cè)定位節(jié)點(diǎn)信息、溫度、電量、基站狀態(tài)及默認(rèn)參數(shù)等上報(bào)。在核心基站中，搭建LED狀態(tài)顯示單元及蜂鳴器，便于對(duì)待測(cè)位置節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控及自身報(bào)警。

本文中，采用TI Zigbee RF設(shè)備，其內(nèi)嵌的定位引擎使用Zigbee網(wǎng)絡(luò)的RF基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)計(jì)算事物或人物所處的位置。定位引擎在單芯片 RF 收發(fā)器中與 MCU 集成在一起，采用了一種分布式定位計(jì)算方法。這種計(jì)算方法根據(jù)從距離最近的參考節(jié)點(diǎn)（其位置是已知的）接收到的信息，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地計(jì)算，確定相關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置。因此，網(wǎng)絡(luò)流量的多少將由待測(cè)節(jié)點(diǎn)范圍中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量決定。另外，由于網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)隨著待測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而成比例遞增，故系統(tǒng)中，還允許同一網(wǎng)絡(luò)中存在大量的待測(cè)節(jié)點(diǎn)。

基于Zigbee技術(shù)的室內(nèi)定位工程方案

一：工程技術(shù)方案

1. 在需要定位的空間內(nèi)，每隔50～100米固定布置一個(gè)位置節(jié)點(diǎn)，位置節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)的位置確定；

2. 給需要定位的人或物佩一個(gè)定位卡片，定位卡片在位置節(jié)點(diǎn)所布置的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)，位置節(jié)點(diǎn)定時(shí)搜索未知的定位卡片并建立連接；定位卡片通過(guò)廣播方式，發(fā)送在線狀態(tài)信息，并建立與位置節(jié)點(diǎn)及路由的通信通路；

3. 位置節(jié)點(diǎn)及定位卡片建立無(wú)線連接后，定位卡片接收位置節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，并將電量信息、溫度信息與綁定的ID信息、RSSI信號(hào)強(qiáng)度信息打包后，通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給路由/數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)；

4. 路由/數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過(guò)連接線連接交換機(jī)，交換機(jī)與后臺(tái)服務(wù)器建立通信，通過(guò)交換機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺(tái)服務(wù)器；服務(wù)器實(shí)時(shí)接收上報(bào)數(shù)據(jù)并解析，后臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中心將各個(gè)位置節(jié)點(diǎn)信息記錄并存儲(chǔ)，通過(guò)定位算法計(jì)算定位卡片位置并在地圖中顯示，并實(shí)時(shí)顯示位置節(jié)點(diǎn)及定位卡片的在線狀態(tài)，通過(guò)可視化地圖方式展示。

二.定位技術(shù)方案

其中多點(diǎn)定位方法如下所述：X為定位卡片，A，B，C三點(diǎn)為位置節(jié)點(diǎn)，已知X與A，B，C三點(diǎn)的距離。取A或B或C中任一點(diǎn)為球心，以A，B，C的RSSI信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換的距離作為半徑作球形圖，得到三個(gè)球形交點(diǎn)處即為X的位置。若需要更精確的位置，可選取E、F等點(diǎn)，重復(fù)作圖。

結(jié)論與應(yīng)用前景

本文中提供的Zigbee定位系統(tǒng)，根據(jù)定位節(jié)點(diǎn)的選擇，可實(shí)現(xiàn)粗略及精細(xì)定位，在定位精度不高的場(chǎng)合，使用單點(diǎn)定位法即可實(shí)現(xiàn)定位，布置簡(jiǎn)單快捷；在定位精度高的場(chǎng)合，可采用3點(diǎn)或者更高定位方法，以獲取更高的定位精度，最高定位精度可達(dá)2.5m。

Zigbee定位系統(tǒng)為一項(xiàng)成熟的工程實(shí)施方案技術(shù)，已大量用于工業(yè)、醫(yī)療、電力、商業(yè)等領(lǐng)域。目前已廣泛應(yīng)用于煤礦或隧道，確定工作人員的位置及發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)迅速找到工作人員；跟蹤碼頭倉(cāng)庫(kù)的集裝箱起運(yùn)情況；用于電廠、變電站等危險(xiǎn)區(qū)域，確定工作人員位置；用于養(yǎng)老院，確定入院人員的位置及發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)的緊急呼叫等室內(nèi)需要定位的場(chǎng)合，其市場(chǎng)前景及應(yīng)用遠(yuǎn)景廣闊，市場(chǎng)潛力極大。

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