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ZigBee技术在定位方面的实验研究

2009-07-24
作者:张 倩,宿 罡,史书刚,马

摘 要:介绍了ZigBee定位的基本原理和实现方法,并结合实验结果分析其优缺点。
关键词:ZigBee;定位;RSSI;LQI

  目前比较成熟并得到大范围应用推广的无线定位技术是GPS卫星定位系统,但在室内定位和市区多遮挡的情况下定位,GPS的效果差强人意,需要有其他的定位技术去弥补GPS的不足。现在人们对室内定位系统的需求也与日俱增,机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场、监狱、军事训练基地等都需要使用准确的室内定位信息。
1 ZigBee简介
  ZigBee是一种新兴的短距离、架构简单、低消耗功率与低传输速率无线通讯技术,其传输距离约为数十公尺,使用频段为免费的2.4 GHz与900 MHz频段,传输速率为20 Kb/s至250 Kb/s,网路架构具备Master/Slave属性,并可达到双向通信。
  RSSI:链路信号强度
  节点:无线网络模块,是构成ZigBee无线网络基本单位,担负路由、终端、RSSI指示等功能。
  参考节点:无线网络模块,固定于定位区域,作为参照系与移动节点一起对该移动节点进行定位。
  移动节点:简易无线网络模块,由移动目标携带,如矿工,在定位区域移动,与参考节点一起对自身进行定位。
  LQI(Link Quality Indicator):链路信号质量[1]
2 定位系统的构成
  无线定位网络:利用ZigBee无线网络模块,根据实际应用环境合理布局,组成一套ZigBee无线定位骨干网络,网络形态可以是链状或网状拓扑。定位网络中的参考节点将接收到移动节点信息(RSSI和LQI),传送到上位机进行处理。
  移动节点:利用低价ZigBee无线模块(只完成无线收发不需要网络功能的RFD模块),制成一个便携式的移动装置。
  定位应用算法:上位机对无线网络传送回来的移动节点信息,用一定方法进行解算,得到移动节点的位置信息。上位机对该位置信息进行存储、显示等处理。
3 定位原理与方法
  从算法采用的手段来看,ZigBee定位算法可以分为两大类:基于距离的算法和非基于距离的算法。基于距离的算法通过测量节点间的距离或角度信息,使用三边测量、三角测量或最大似然估计定位法计算节点位置。常用的测距技术有RSSI、LQI;非基于距离的算法则不需要距离和角度信息,算法根据网络连通性等信息来实现节点定位[2]
  本实验采用的定位算法前三种主要是基于距离的算法,在已知发射功率的情况下,在接收点测量接收功率,通过测量接收到的信号强度可以推算出移动节点到参考节点的距离。第四种是非基于距离的算法。
  在定位过程中,需要利用ZigBee两个关键技术:(1)ZigBee节点的标识。每个ZigBee节点都有64位的永久地址,作为其唯一性标识。可以将这个地址映射为对应用层有意义的名字,从而可对每个节点进行身份辨认。(2)定位判定。位置判断的依据为无线信号参数LQI,位置判断的精度取决于路由节点分布的密度。
  定位的过程和计算主要有四种方法:
  (1)网格定位。如图1所示,将ZigBee定位参考节点,以等间距布置成网格状,移动节点分别接收到与参考节点间的LQI,用LQI计算出到相邻节点的距离,用三角函数方法计算移动节点的坐标[3]。
  这里举一个例子来计算坐标值。假设参考节点和定位节点的位置如图1所示。

  从分布图中可以看出,如果在理想的情况下,与定位点最近的4个参考点分别是A1、A2、A4、A5,最近的三个参考节点是A1、A4、A5。根据三角公式可求得:P点的X坐标为17.0125;P点的Y坐标为12.9875。这样就计算出了一组定位节点坐标:(12.9875,17.0125)。
(2)一点信号强度定位。移动节点在不同的位置接收信号时,因距参考节点距离远近的不同,所收到的信号强度也不同。当移动节点接收到最近的参考节点的LQI值后,通过计算或比照,确定移动节点的位置。以参考点为原点坐标,单位m,参考节点距离30 m,如表1所示。


  (3)两点信号强度定位。移动节点接收到相邻两个参考节点信号,计算其差值,确定移动点位置。其中LQIA为参考节点A的LQI值,LQIB为参考节点B的LQI值,以参考节点A的位置为坐标原点,单位m,参考节点距离30 m。结果如表2所示。


(4)固定点定位。将收到最大LQI值的那个节点的位置,当作为移动节点位置。此方法需要较小的网络节点间距,精度也较低。
4 定位效果
  (1)关于网格定位法。参考节点间距设为20~30 m,参考节点数为4~8块。参考节点数多,间距小,效果较好,精度较高,反之效果较差。经实验,估算精度为3~5 m,但有位置跳跃现象。
  该定位法依赖于较开阔的场地,如大型仓库等,不适用于煤矿井下巷道等场合。
  (2)LQI值与距离的关系。从图2中我们可以观察到几点规律:①LQI值随距离增加,呈衰减趋势;②曲线在20 m后逐渐平坦,30 m后趋于水平;③曲线在约8 m附近有一个凹陷,该点最低LQI值有可能低与34 m处LQI值;④在任一距离上,LQI值变化幅度很大,例如,在40 m处LQI值最低为5,最高为32,各距离上最大变化幅度大于30。


(3)利用LQI的定位效果
  实测数据与该曲线相似,只是LQI变化幅度更大。分析原因是供货商所使用的测试环境较为理想,而我们的测试环境里,环境干扰较大。
  利用LQI强度参数计算移动节点的距离,需要依靠LQI参数的线性规律、稳定准确的LQI信号值以及曲线有一定斜率。由以上分析,我们可以得出以下结论:①超过30 m后,LQI强度曲线趋于平坦,故定位距离不能超过30 m;②LQI强度曲线线性特征不好,其中8 m附近的凹陷较为致命;③利用LQI强度值定位误差较大,最大误差约23 m。④LQI信号的不稳定性对两点信号强度定位法的影响更大,以致误差更大。图3为实测数据曲线。

(4)固定点定位的效果较为理想。移动节点在移动过程中,当经过某参考节点时,能准确捕捉到临近参考节点的LQI信号的最大值,通过合理设置信号门限,确定离移动节点最近的参考节点,进而实现定位。该移动节点未到达另一参考节点之前,系统认为移动节点仍在原来位置。该方法可适应较复杂环境,定位可靠,缺点是定位精度不高,定位精度相当于参考节点的间距。
5 LQI信号强度不稳定之浅析
  (1)该器件工作在2.4 GHz,波长约13 cm,属分米波范围,反射、折射效应较强。LQI强度会受到多径干扰影响。
  (2)该器件是微功耗器件,空间信号强度很低,在受到遮挡时,信号衰减较大。
  (3)ZigBee所采用直接序列扩频技术,其信号强度在空间的分布是非线性的。
  在实验中,我们采用了固定点定位法,并取得了较好的定位效果。移动节点定位可靠,定位性能稳定。但同时也应注意到该定位法定位精度较低,如果想提高定位精度,必须提高参考节点的密度,这不利于控制应用系统的成本。
  该系统网络中,远端的信号是通过充当路由的参考节点,一级一级传送回上位机的。根据经验,路由级数最大只能到二十几跳。如果定位精度要达到50 m,必须每50 m设置一个参考节点,那系统的最大定位范围是1 km;如果定位精度要达到10 m,系统的最大定位范围只有200 m,实用性不强。

参考文献
[1] 李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
[2] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.
[3] 李文仲,段朝玉.ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

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