基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

顏兵兵，鄭大帥，張連軍，王躍輝

(佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007)

IT產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的普及、家電的智能化和單片機(jī)強(qiáng)有力的功能拓展，使得數(shù)字家庭、無(wú)線定位、無(wú)線組網(wǎng)等新概念已不同程度地融入人們的生活環(huán)境中。無(wú)線通信技術(shù)的成熟與發(fā)展促進(jìn)了新興無(wú)線業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，越來(lái)越多的應(yīng)用都需要定位服務(wù)。為解決自動(dòng)定位的問(wèn)題，基于衛(wèi)星通信的全球定位系統(tǒng)（GPS）應(yīng)運(yùn)而生，其良好的定位精度解決了很多諸如軍事和民用等方面的實(shí)際問(wèn)題；但當(dāng)需要定位的物體位于建筑物內(nèi)部時(shí)，其定位精度會(huì)明顯下降。因此，必須研究新的定位技術(shù)以彌補(bǔ)GPS的不足。迄今為止，常見(jiàn)的室內(nèi)定位技術(shù)有紅外技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)、超聲波技術(shù)和RFID技術(shù)。典型的系統(tǒng)有Active badge、Crickets、LANDMARC、RADAR、E-911 等[1-4]，這些系統(tǒng)在定位精度、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本以及工作原理上各有不同。但就其針對(duì)移動(dòng)物體的室內(nèi)定位技術(shù)而言，可分為基于移動(dòng)設(shè)備的方法和基于網(wǎng)絡(luò)的方法。前者主要由移動(dòng)設(shè)備根據(jù)當(dāng)前和以前與其通信的參考基站信息，計(jì)算出自身的位置，其最典型的應(yīng)用是GPS；而后者則是網(wǎng)絡(luò)根據(jù)其參考基站和移動(dòng)設(shè)備通信的信息（時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度等），結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算出移動(dòng)設(shè)備的位置實(shí)現(xiàn)定位。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是利用無(wú)線電射頻RF(Radio Frequency)或紅外線IR(Infrared)等無(wú)線傳輸媒體與技術(shù)構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于取消了有線介質(zhì)(雙絞線、同軸電纜、光纖等)，從而可以滿足網(wǎng)絡(luò)用戶信息隨身化的理想需求。目前短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括ZigBee、無(wú)線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、藍(lán)牙(Bluetooth)、超寬帶(UWB)和近距離無(wú)線傳輸(NFC)，已成為業(yè)界談?wù)摰臒狳c(diǎn)[5]。與其他技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)填補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。因此，本文基于ZigBee技術(shù)和嵌入式技術(shù)，以構(gòu)建簡(jiǎn)單、定位精度高為目的，構(gòu)建室內(nèi)定位試驗(yàn)平臺(tái)。

1 硬件設(shè)計(jì)與定位算法

1.1 硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)定位試驗(yàn)平臺(tái)主要由ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與控制單元兩部分組成，如圖1所示。其中，控制單元用于收集定位數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的交互。典型的控制單元是PC機(jī)或ARM控制器，但通常兩者均不具備嵌入式射頻收發(fā)器，因此實(shí)際應(yīng)用中尚需外部搭接射頻模塊。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，包括1個(gè)網(wǎng)關(guān)（作用相當(dāng)于ZigBee的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)整個(gè)定位無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、協(xié)調(diào)，以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢查等）、3個(gè)以上的參考節(jié)點(diǎn)（為已知位置的節(jié)點(diǎn)，并且其物理位置固定不變）和1個(gè)定位節(jié)點(diǎn)（其位置隨時(shí)變化，由CC2431硬件定位引擎通過(guò)接收參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值經(jīng)過(guò)固有定位算法計(jì)算而得）。

網(wǎng)關(guān)和參考節(jié)點(diǎn)均采用TI公司的射頻芯片CC2430，定位節(jié)點(diǎn)采用支持2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的帶有硬件定位引擎的射頻芯片CC2431，移動(dòng)小車采用履帶式兩輪驅(qū)動(dòng)方式，控制器采用Samsung公司的S3C2410處理器。數(shù)據(jù)傳輸方面，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)）之間采用無(wú)線傳輸方式，網(wǎng)關(guān)與控制器之間采用串口通信方式。裝備有網(wǎng)關(guān)和定位節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)小車如圖2所示。

1.2 定位算法

接收到參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度后，定位節(jié)點(diǎn)獨(dú)自計(jì)算所得信號(hào)的傳播損耗，基于理論與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⑵滢D(zhuǎn)化為有效距離，最后利用已有算法得到定位節(jié)點(diǎn)的具體位置。接收信號(hào)強(qiáng)度理論值為：

式中，d為到發(fā)射器之間的距離；n為信號(hào)傳播常量；A為在1 m處接收到信號(hào)的強(qiáng)度。可以看出，信號(hào)強(qiáng)度與到發(fā)射器之間的距離成對(duì)數(shù)衰減的關(guān)系，定位節(jié)點(diǎn)與發(fā)射器之間的距離越近，由信號(hào)強(qiáng)度偏差產(chǎn)生的絕對(duì)距離誤差就越小。當(dāng)該距離達(dá)到某一數(shù)值后，由RSSI波動(dòng)所造成的絕對(duì)距離誤差將會(huì)很大。在實(shí)際應(yīng)用中，定位節(jié)點(diǎn)會(huì)采用RSSI值較大的前幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，以避免定位誤差的擴(kuò)大。該技術(shù)硬件要求較低，算法相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于環(huán)境因素變化的影響，在實(shí)際應(yīng)用中往往需要改進(jìn)。與常見(jiàn)的軟件定位方法相比，CC2431硬件定位引擎具有速度快、精度高且不占用處理器時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，采用分布式計(jì)算方法以避免集中計(jì)算方法造成的網(wǎng)絡(luò)傳輸與通信延遲的問(wèn)題。

1.3 軟件系統(tǒng)

基于Ubuntu系統(tǒng)（內(nèi)核為L(zhǎng)inux2.6版本），在跨平臺(tái)應(yīng)用程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Qt Creator中編寫(xiě)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位圖形化監(jiān)控軟件，并移植到ARM系統(tǒng)中[6]。串口通信程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須創(chuàng)建串口數(shù)據(jù)接收與發(fā)送線程，并在主函數(shù)體中采用信號(hào)/槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞，具體操作流程如圖3所示。此方法可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)小車在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中初始位置的隨意設(shè)定，且不影響定位精度。

圖3 串口數(shù)據(jù)處理與運(yùn)動(dòng)控制流程

2 試驗(yàn)研究

將ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)(CC2430)按照一定規(guī)則分布于12 m×12 m的室內(nèi)空間，網(wǎng)關(guān)及定位節(jié)點(diǎn)安裝在移動(dòng)小車上。移動(dòng)小車采用履帶式兩輪驅(qū)動(dòng)底盤(pán)，控制器為S3C2410處理器，通過(guò)串口方式與ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)相連接。將移動(dòng)小車放置于8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)所包含的范圍內(nèi)，方向任意，結(jié)果如圖4所示。

在保證網(wǎng)關(guān)成功啟動(dòng)后，分別啟動(dòng)各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)以及定位節(jié)點(diǎn)，在車載液晶屏上人工設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)。目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置完成后，啟動(dòng)自動(dòng)定位功能程序，移動(dòng)小車將根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的定位算法行走，直至目標(biāo)點(diǎn)停止運(yùn)動(dòng)。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了8組試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。以歐幾米德距離來(lái)衡量定位誤差，經(jīng)數(shù)據(jù)分析可以看出，小車能實(shí)現(xiàn)在未知車頭前進(jìn)方向的情況下尋找自己前進(jìn)的方向向量，并且能夠在行走誤差范圍內(nèi)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，定位誤差約1.25 m，基本實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee的室內(nèi)定位并尋找目標(biāo)點(diǎn)的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

表1 移動(dòng)小車尋找目的坐標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

鑒于CC2431硬件定位引擎只能在64 m×64 m范圍進(jìn)行定位計(jì)算，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，需要增設(shè)一個(gè)前處理軟件算法，最大范圍可達(dá)16 384 m。基本思路是：首先定位最大RSSI值的參考節(jié)點(diǎn)并計(jì)算其到64 m×64 m正方形中心的偏移量d，然后定位其他參考節(jié)點(diǎn)并全部偏移d，再將所有數(shù)據(jù)送入硬件定位引擎計(jì)算結(jié)果，最后累加偏移量d，從而得到定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。而對(duì)于三維空間定位而言，可以用一個(gè)字節(jié)表示Z方向，最多可達(dá)256層。可以推斷出，來(lái)自于不同層面的節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度要比同一層中的信號(hào)強(qiáng)度要低，這就意味著需要更密集的參考節(jié)點(diǎn)布置于實(shí)際環(huán)境中。

ZigBee技術(shù)是新興的無(wú)線通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，使用方便、成本低、功耗低，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越廣。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，完成了室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與ARM嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合和具體實(shí)現(xiàn)。該定位系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和ARM嵌入式技術(shù)，將這種低功耗、低成本的無(wú)線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用到了室內(nèi)定位系統(tǒng)中，拓寬了ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

在實(shí)際的測(cè)試場(chǎng)所對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的要求，系統(tǒng)的定位精度可以滿足室內(nèi)人員等移動(dòng)目標(biāo)的定位應(yīng)用要求，系統(tǒng)具有較高的定位速度、較低的功耗和低廉的系統(tǒng)成本，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1]WANT R，HOPPER A，F(xiàn)ALCAO V，et al.The active badge location system[J].ACM Transactions on Information systems，January 1992，40(1)：91-102.

[2]LIONEL M N，Liu Yunhao，LAU Y C，et al.LANDMARC：indoor locaion sensing using active RFID[C].IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications，2003.

[3]PARAMVIR B，VENKATA N P.RADAR：an In-building RF-based user location and tracking system[C].IEEE INFOCOM，2000，2：775-784.

[4]PRIYANTHA B.The cricket indoor location system[D].Boston：Massachusetts Institute of Technology，2005.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[6]韋東山.嵌入式 Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)完全手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2008.