基于ZigBee的定位系統環境參數的探討

ZigBee無線通信技術具有定位精度高、成本較低等特點,以該技術為基礎發展起來的各種定位系統具有良好的發展前景。通過對室內定位通信技術的研究發現,該技術應用于小型的室內環境定位效果良好,定位精度相對較高,相關的研究方法和結論可以為開發大型的定位系統如地下礦井人員定位系統提供決策性依據[1-4]。目前,很多定位系統的設計都是基于算法的改進和硬件的更新,忽視了具體環境的影響。為此,筆者對基于ZigBee的定位系統環境參數進行了探討。

1 ZigBee無線通信技術

ZigBee技術是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術[5]。ZigBee工作在國際免授權的2.4GHz頻段上,具有250kbps的最高數據傳輸率。在ZigBee網絡中存在3種邏輯設備類型,即協調器、路由器和終端設備。ZigBee網絡由一個協調器以及多個路由器和終端設備組成。

1.1 ZigBee協議棧

ZigBee協議棧的基礎是IEEE 802.15.4,IEEE 802.15.4是IEEE無線個人區域網工作組的一項標準,但其僅能處理低級物理層 (PHY)和媒體訪問控制層 (MAC)。因此,Zigbee聯盟擴展了IEEE,對其網絡層 (NWK)和應用層 (API)進行了標準化。

1.2 ZigBee的特點

ZigBee的特點具體表現在如下幾方面:①研發成本低。通過大幅簡化協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電。③容量高。采用星狀、網狀等網絡結構,對網絡節點進行層層管理。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 室內定位系統環境參數的研究

2.1 定位原理

CC2431是一個ZigBee片上系統,其滿足以ZigBee為基礎的2.4GHz(該頻段免費)ISM(Industrial Scientific Medical,工業科學醫學)頻段應用及對低成本、低功耗的要求。在常用的定位算法中,定位節點(終端設備)選用CC2431,參考節點 (路由器)和網關 (協調器)都選用CC2430,CC2430和CC2431內部邏輯結構相似,CC2430只比CC2431少一個定位引擎[1]。

圖1 節點在上位機中的分布

2.2 室內定位系統A、N值分析

測試試驗的運行環境為IAR Embedded Work Bench(EW8051)集成開發環境 7.20H版本,包含Z-Stack v1.4.2協議棧、SmartRF Flash Programmer工具軟件和Genneral Packet Sniffer協議分析軟件。首先選用TI公司的2Z-Location_Engine上位機定位軟件,在測試區域為64m×64m的操作區,選取5個參考節點和1個定位節點,根據需要調整參考節點擺放的位置,而擺放的位置發生變化時相應的坐標也應隨之改變。改變 A、N的值,定位精度會有所不同,經過反復嘗試,得出A值取39、N值取27時,精度較高。試驗相關數據如表1所示。

表1 相關試驗數據

從表1可以看出,第5組和第9組數據中測試數據和實際數據的X值相差過大,參考性不大。第4、7、8組測試數據和實際數據的X值和Y值偏差都在1m之內,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,Y值偏差也都在1m之內。另外,第1組測試數據和實際數據的X值偏差在1m以內,Y值偏差超過了1m,而第10組測試數據和實際數據的Y值偏差在1m之內,X值偏差超過了3m,但對整體數據沒有太大的影響,仍可認為是有效數據。因此,當A值取39、N值取27時,室內定位系統的定位精度在1～2m之內,定位效果比較理想。

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

圖2 上位機監控界面

3 結 語

應用ZigBee技術可實現室內定位,以該技術為基礎的定位系統對環境的依賴性比較強,要提高定位精度,在總體設計時應考慮環境因素的影響。通過測試試驗,具體分析了室內定位系統的環境參數A、N值。結果表明,當A值取39、N值取27時,室內定位系統的定位精度在1～2m之內,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為參考,通過對環境參數進行適當調整,也可以獲得更好的定位精度。

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