基于ZigBee 節(jié)點技術(shù)的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)的研究

張俊 陳偉利

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林長春 130000）

目前，我國建筑樣式多樣化，高層建筑也越來越多。這類建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜多樣，而且人員復雜且流通量大。容易發(fā)生意外災(zāi)害，對當下定位與導航的需求日益增大，特別是在災(zāi)害現(xiàn)場，高層樓宇搶險搜救等行業(yè)中有著更高更多的要求。但是受定位時間、定位精度以及復雜環(huán)境等條件的限制，缺少準確靈敏的定位，而且若受困人員位置發(fā)生改變，無法及時反饋給救援人員，消防人員只能進行低效且有一定風險的經(jīng)驗式黑箱救援。不僅使救援效率低下，也增加了救援人員的救援風險，導致不必要的人員和財產(chǎn)損失，所以一套能夠準確定位受困人員與救援人員位置的系統(tǒng)亟待建立。

本次研究就基于ZigBee 技術(shù)建立一款實用的室內(nèi)消防人員定位系統(tǒng)。目前，在一定程度上ZigBee 比WiFi、藍牙等常用定位技術(shù)更加穩(wěn)定，且ZigBee 結(jié)構(gòu)簡單容易維護，靈活性也較高，而且成本和功耗方面均較低，使其在建筑物室內(nèi)定位方面有著獨特的優(yōu)勢，成為了近幾年室內(nèi)人員定位研究方面的熱點。

1 ZigBee 技術(shù)分析

ZigBee 作為興起的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要運用于短距離通訊，它有著單獨的無線電標準，并且應(yīng)對時代的發(fā)展，低功耗，低成本，傳感器的體積也較小，通過傳感器相互協(xié)助組成的無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對盲點的定位。

ZigBee 技術(shù)越來越被眾多企業(yè)看好，也是由于其自身強大的技術(shù)優(yōu)勢所決定的。（1）低功耗：在平常非工作狀態(tài)時，節(jié)點處于休眠狀態(tài)，只需極少電能維持控制芯片的運作，但當發(fā)生突發(fā)情況時，可以第一時間被喚起，轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。ZigBee 信號的收發(fā)時間短，數(shù)據(jù)傳輸量較小，耗費的功率低。一般一節(jié)5 號電池可以使用高達1 年左右的時間；（2）低成本：ZigBee 協(xié)議效率高，用在低速率環(huán)境下，普通節(jié)點只占用8 位的CPU，4KB 的ROM 即可完成基本功能，而且其工作頻段是免執(zhí)照的，使用協(xié)議也不需要付專利費；（3）高可靠性:ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)同時采用DSSS 和OQPSK 技術(shù)，物理層兼容IEEE802.11.5 短程無線通信協(xié)議，可靠性高；為了解決數(shù)據(jù)沖突問題，采用了CSMA-CA 技術(shù)，并采用16 位CRC 來保證數(shù)據(jù)的準確性；采用應(yīng)答方式進行數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)能正確到達目的地址;（4）安全性高：ZigBee 擁有三級安全措施防護，安全性能更高。最高級采用高級加密標準（AES）對稱密鑰來保障數(shù)據(jù)傳輸。且還具有短延時、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點。

鑒于上述優(yōu)勢選定了ZigBee 技術(shù)作為本次定位系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)。

2 ZigBee 定位系統(tǒng)框架

如圖1 所示（僅以一個防火分區(qū)為例介紹本次定位系統(tǒng)框架），本次定位系統(tǒng)主要由參考節(jié)點、移動節(jié)點（盲點）、路由器、網(wǎng)關(guān)、上位機構(gòu)成。參考節(jié)點必須固定在防火分區(qū)內(nèi)的合適位置，且已知其固定坐標，移動節(jié)點多次發(fā)送RSSI 請求給參考節(jié)點，參考節(jié)點取其平均值然后往回傳。移動節(jié)點可以嵌入人員的工作牌、手環(huán)等隨身物品當中，且需隨身攜帶。加入網(wǎng)絡(luò)后將其數(shù)據(jù)傳入路由器，路由器傳遞給協(xié)調(diào)器（協(xié)調(diào)器組建子網(wǎng)絡(luò)），協(xié)調(diào)器與WiFi 無線通信模塊結(jié)合組成網(wǎng)關(guān)，把接收到的移動節(jié)點定位數(shù)據(jù)經(jīng)過WiFi 無線通信模塊傳入以太網(wǎng)[2]，再通過云端處理，利用定位算法計算出移動節(jié)點的實時坐標，通過消防部門終端界面使救援人員和現(xiàn)場指揮人員能實時了解受困人員及救援人員的位置，也能結(jié)合路徑規(guī)劃算法規(guī)劃最優(yōu)救援路徑。

圖1 ZigBee 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3 定位算法設(shè)計

本次主要使用預設(shè)測距定位算法，盲節(jié)點廣播RSSI 信息后，上位機根據(jù)各個參考盲點的不同位置以及不同的RSSI 值，計算傳播損耗將其轉(zhuǎn)化為距離[3]。其公式如下：

式中：ln——所述參考點與運動目標節(jié)點之間的距離；

C——距離為1 m 的兩個測試點的RSSI 值，通常取40～45之間；

d——環(huán)境衰減因子，是個需要測量的參數(shù)，其數(shù)值隨環(huán)境的改變而變化；

RSSI——兩個相互通信的ZigBee 芯片的信號強度值。

為了定位的更加精確，在一個防火分區(qū)里固定4 個參考節(jié)點，列出方程如下：

其中l(wèi)j(j=1,2,3,4) 為盲節(jié)點到參考節(jié)點的距離，xj(j=1,2,3,4）為盲節(jié)點到4 個參考節(jié)點x 軸的直線距離，yj(j=0,1,2,3）為盲節(jié)點與4 個參考節(jié)點y 軸的直線距離。利用最小二乘法將其修改為DX=H 的形式[2]：

運用最小均方差的方法計算得盲節(jié)點坐標為X，這樣，就可以確定室內(nèi)人員的位置：

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于移動節(jié)點需要人隨身攜帶，因此要盡量體積小、質(zhì)量輕、節(jié)能。所以CPU 采用CC2530 芯片，硬件設(shè)計圖2 如所示。TI公司生產(chǎn)的該處理器具有靈活強大的的開發(fā)工具，且有低功耗、高性能等優(yōu)勢，符合24GHz IEEE802.15.4 標準的優(yōu)良的無限接收靈敏度和抗干擾性能2.4G RF 收發(fā)器[4]?；谝陨显?，本系統(tǒng)將其用于盲節(jié)點（移動節(jié)點）、參考節(jié)點、路由器節(jié)點及網(wǎng)關(guān)中。

圖2 CC2530 設(shè)計圖

圖3 盲節(jié)點實物圖

圖4 固定節(jié)點實物圖

Zigbee 節(jié)點可采用充電式鋰電池作為其工作電源，供電電壓為3.3V，如圖3 為盲節(jié)點實物示例圖。本系統(tǒng)中，固定節(jié)點可不采用蓄電池供電，此為試驗方便，所以采用鋰電池供電如圖4所示。

在測試過程中選用了一個10.8m×6.9m 的房間作為測試地點，在房間的四個角放置4 個Zigbee 固定節(jié)點，將盲節(jié)點在房間內(nèi)隨機移動，用C#做界面，網(wǎng)關(guān)通信用Socket，利用GDI+繪圖和圖像顯示功能設(shè)置固定節(jié)點坐標并且顯示盲節(jié)點的實時位置[5]。多次測試后顯示，定位誤差在50～85cm,基本滿足定位需求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了以ZigBee 節(jié)點技術(shù)為基礎(chǔ)的室內(nèi)消防人員定位系統(tǒng)，運用了預設(shè)測距定位算法，對系統(tǒng)整體的框架做了設(shè)計。所運用的ZigBee 技術(shù)具有安全穩(wěn)定、低功耗低成本、響應(yīng)間隔短（即從非工作狀態(tài)切換到工作狀態(tài)所需時間短）等優(yōu)點，以CC2530 作為Zigbee 芯片，經(jīng)過測試，基本能夠勝任于火災(zāi)環(huán)境下的定位。如果該系統(tǒng)經(jīng)過更加全面的優(yōu)化后，將能為我國消防救援事業(yè)提供不小助力。