基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

辛華

摘 要：本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀開始談起，就基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，文章旨在完善我國(guó)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位水平，為我國(guó)各行業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Zigbee;無線傳感器;定位技術(shù)

在當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)逐漸受到越來越多領(lǐng)域的關(guān)注。Zigbee無線傳感器是將無線通信和傳感器有效結(jié)合在一起的新型技術(shù)，其可以提升數(shù)據(jù)信息搜集和處理的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)位置定位的準(zhǔn)確性，不僅為我國(guó)無線定位技術(shù)的發(fā)展開拓了廣闊的空間，也為各領(lǐng)域的革新提供了助力。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀

與國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)無限傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的起步較晚，不過在該技術(shù)引入到我國(guó)后，就得到了各行各業(yè)的關(guān)注和認(rèn)可，均開始進(jìn)行了該技術(shù)的研發(fā)工作，同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中存在的問題也得到了有效改善，推動(dòng)了我國(guó)各領(lǐng)域的發(fā)展。

2 Zigbee定位系統(tǒng)的原理

2.1 無線定位的基本原理

無線定位技術(shù)主要是由三部分組成的，即網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)。其中對(duì)盲節(jié)點(diǎn)的定位就是俗稱的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位。無線定位技術(shù)主要是依靠參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)這兩部分，參考節(jié)點(diǎn)的設(shè)置位置是固定的，屬于一個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，起到信號(hào)傳輸?shù)淖饔?。其是將自身的位置信?hào)通過數(shù)據(jù)包的形式傳輸?shù)狡渌?jié)點(diǎn)上;而盲節(jié)點(diǎn)主要是進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)的接受，通過信號(hào)接收來掌握參考節(jié)點(diǎn)的具體位置，以及參考節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的RSSI值，之后盲節(jié)點(diǎn)會(huì)將這些得到的數(shù)據(jù)上傳到定位引擎中，利用定位引擎進(jìn)行位置確定。

2.2 RSSI定位方法

RSSI定位方法是將數(shù)據(jù)傳輸中所產(chǎn)生的消耗值轉(zhuǎn)化為距離值，再利用相應(yīng)的計(jì)算方式，將最終的定位位置計(jì)算出來。其工作原理為：首先掌握參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸強(qiáng)度和盲節(jié)點(diǎn)的信號(hào)接收強(qiáng)度，利用這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中消耗值的計(jì)算;之后再通過相關(guān)知識(shí)的具體應(yīng)用，將計(jì)算得出的消耗值逐漸轉(zhuǎn)化成距離值，然后再利用三邊測(cè)量法將盲節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算出來。不過在這個(gè)計(jì)算過程中，需要對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行增加，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成距離值，使用的計(jì)算公式為：。在該公式中，gr和g1分別代表了接收天線的增益和發(fā)射天線的增益，p1代表發(fā)射功率，d代表信號(hào)傳播的距離，λ則是指信號(hào)在傳播過程中產(chǎn)生的波長(zhǎng)。

之后通過上述公式計(jì)算得出的數(shù)值，在下面公式中，就可以完成對(duì)參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的計(jì)算了。該公式為：。

2.3 ZigBee定位系統(tǒng)硬件

ZigBee的無限傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從蜂窩得到的啟發(fā)，該系統(tǒng)是呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布的。這樣的設(shè)計(jì)既可以讓每個(gè)模塊在通信范圍內(nèi)，自動(dòng)尋找鏈接位置;也可以在模塊發(fā)生變動(dòng)時(shí)，重新找尋連接對(duì)象，以確保通信正常。同時(shí)該設(shè)計(jì)還可以有效提升各模塊之間的溝通效率，強(qiáng)化數(shù)據(jù)處理效果?；诖?，在定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過輔助模塊設(shè)計(jì)和無線通信模塊設(shè)計(jì)這兩項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件電路的構(gòu)建。此外，無線通信模塊作為定位系統(tǒng)中的核心內(nèi)容，需要加強(qiáng)對(duì)其的研究，完善ZigBee定位系統(tǒng)的功能。

3 Zigbee的設(shè)備節(jié)點(diǎn)類型

3.1 協(xié)調(diào)器

在Zigbee無限傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器的作用主要體現(xiàn)在兩方面：一是開展家居ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建工作;二是對(duì)想要加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行審核和控制。在網(wǎng)絡(luò)組件完成后，會(huì)有其他節(jié)點(diǎn)想要加入到該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中來，這時(shí)協(xié)調(diào)器就將發(fā)揮其自身功效，對(duì)想要加入的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行審核，確定其是否適合加入到該網(wǎng)絡(luò)中來。在ZigBee定位系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器是與ARM網(wǎng)關(guān)結(jié)合在一起的，且兩者之間是相輔相成、互相合作的關(guān)系。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)均要通過協(xié)調(diào)器傳入到ARM網(wǎng)關(guān)中，再由ARM網(wǎng)關(guān)對(duì)這些數(shù)據(jù)實(shí)行處理，再由協(xié)調(diào)器將處理的結(jié)果反饋給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家電節(jié)點(diǎn)的有效控制。

3.2 路由器

路由器類型的節(jié)點(diǎn)通常是被應(yīng)用在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)也是Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中最常見的一種。其具有的優(yōu)勢(shì)在于其，節(jié)點(diǎn)類型占比較高，具有較重要的位置，且該節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用中不允許休眠。該類型節(jié)點(diǎn)的作用主要有：其一，信息傳達(dá)該節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)同一網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了通信目的，還為協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞提供了媒介。其二，促進(jìn)其他子節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)所在網(wǎng)絡(luò)之間的連接。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)通常都處在網(wǎng)絡(luò)邊緣，主要是進(jìn)行信息的傳送和收發(fā)，不過其不能完成信息的轉(zhuǎn)發(fā)，也不能實(shí)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)的加入。終端節(jié)點(diǎn)通常都是由電池設(shè)備進(jìn)行電量供應(yīng)的，所以一般在數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時(shí)，其是處在休眠狀態(tài)下的，不實(shí)行任何作業(yè)處理，這樣不僅降低了能源消耗，也加快了硬件工作效率。

3.4 zigbee網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)

在對(duì)zigbee的網(wǎng)絡(luò)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將不同節(jié)點(diǎn)的區(qū)別設(shè)計(jì)作為工作重點(diǎn)，按照節(jié)點(diǎn)的性能以及工作要求，合理設(shè)計(jì)其形式，且為降低能源消耗，滿足供電要求，可以使用電源供電、電池供電等模式。另外，還要結(jié)合節(jié)點(diǎn)所處位置選擇休眠模式或者全速工作模式。

3.5 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)具體實(shí)現(xiàn)

以Z-Stack2007為例來說，該定位系統(tǒng)主要是針對(duì)家用電器進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)控制的，在該系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)實(shí)行搜集和整理，之后將其傳輸?shù)紸RM網(wǎng)關(guān)中，通過ARM網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)熟路的處理，然后再將處理好的數(shù)據(jù)逐漸傳輸?shù)较鄳?yīng)的家用電器節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)在收到命令后，即會(huì)做出相應(yīng)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)家用電器的無線網(wǎng)絡(luò)控制。相信該技術(shù)將在未來發(fā)展中不斷的優(yōu)化，與更多的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起，能夠更好的解決我國(guó)無線技術(shù)發(fā)展難題。

4 結(jié)束語

總之，上文主要對(duì)zigbee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了闡述，并詳細(xì)說明了zigbee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成及硬件設(shè)施，對(duì)其未來的發(fā)展作了簡(jiǎn)單說明，希望可以為該技術(shù)后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)，給我國(guó)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域提供助力。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳鵬飛，姜可宇等.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究[J].通訊世界，2017（24）.