基于ZigBee 節點技術的室內人員定位系統的研究

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。這類建筑物內部結構復雜多樣，而且人員復雜且流通量大。容易發生意外災害，對當下定位與導航的需求日益增大，特別是在災害現場，高層樓宇搶險搜救等行業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亟待建立。

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

1 ZigBee 技術分析

ZigBee 作為興起的一種無線傳感器網絡技術，主要運用于短距離通訊，它有著單獨的無線電標準，并且應對時代的發展，低功耗，低成本，傳感器的體積也較小，通過傳感器相互協助組成的無線網絡來實現對盲點的定位。

ZigBee 技術越來越被眾多企業看好，也是由于其自身強大的技術優勢所決定的。（1）低功耗：在平常非工作狀態時，節點處于休眠狀態，只需極少電能維持控制芯片的運作，但當發生突發情況時，可以第一時間被喚起，轉入工作狀態。ZigBee 信號的收發時間短，數據傳輸量較小，耗費的功率低。一般一節5 號電池可以使用高達1 年左右的時間；（2）低成本：ZigBee 協議效率高，用在低速率環境下，普通節點只占用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照的，使用協議也不需要付專利費；（3）高可靠性:ZigBee 網絡結構系統同時采用DSSS 和OQPSK 技術，物理層兼容IEEE802.11.5 短程無線通信協議，可靠性高；為了解決數據沖突問題，采用了CSMA-CA 技術，并采用16 位CRC 來保證數據的準確性；采用應答方式進行數據傳輸，確保數據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）對稱密鑰來保障數據傳輸。且還具有短延時、網絡容量大等特點。

鑒于上述優勢選定了ZigBee 技術作為本次定位系統基礎技術。

2 ZigBee 定位系統框架

如圖1 所示（僅以一個防火分區為例介紹本次定位系統框架），本次定位系統主要由參考節點、移動節點（盲點）、路由器、網關、上位機構成。參考節點必須固定在防火分區內的合適位置，且已知其固定坐標，移動節點多次發送RSSI 請求給參考節點，參考節點取其平均值然后往回傳。移動節點可以嵌入人員的工作牌、手環等隨身物品當中，且需隨身攜帶。加入網絡后將其數據傳入路由器，路由器傳遞給協調器（協調器組建子網絡），協調器與WiFi 無線通信模塊結合組成網關，把接收到的移動節點定位數據經過WiFi 無線通信模塊傳入以太網[2]，再通過云端處理，利用定位算法計算出移動節點的實時坐標，通過消防部門終端界面使救援人員和現場指揮人員能實時了解受困人員及救援人員的位置，也能結合路徑規劃算法規劃最優救援路徑。

圖1 ZigBee 定位系統結構框架

3 定位算法設計

本次主要使用預設測距定位算法，盲節點廣播RSSI 信息后，上位機根據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化為距離[3]。其公式如下：

式中：ln——所述參考點與運動目標節點之間的距離；

C——距離為1 m 的兩個測試點的RSSI 值，通常取40～45之間；

d——環境衰減因子，是個需要測量的參數，其數值隨環境的改變而變化；

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，在一個防火分區里固定4 個參考節點，列出方程如下：

其中lj(j=1,2,3,4) 為盲節點到參考節點的距離，xj(j=1,2,3,4）為盲節點到4 個參考節點x 軸的直線距離，yj(j=0,1,2,3）為盲節點與4 個參考節點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點坐標為X，這樣，就可以確定室內人員的位置：

4 系統硬件設計

由于移動節點需要人隨身攜帶，因此要盡量體積小、質量輕、節能。所以CPU 采用CC2530 芯片，硬件設計圖2 如所示。TI公司生產的該處理器具有靈活強大的的開發工具，且有低功耗、高性能等優勢，符合24GHz IEEE802.15.4 標準的優良的無限接收靈敏度和抗干擾性能2.4G RF 收發器[4]。基于以上原因，本系統將其用于盲節點（移動節點）、參考節點、路由器節點及網關中。

圖2 CC2530 設計圖

圖3 盲節點實物圖

圖4 固定節點實物圖

Zigbee 節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 為盲節點實物示例圖。本系統中，固定節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 固定節點，將盲節點在房間內隨機移動，用C#做界面，網關通信用Socket，利用GDI+繪圖和圖像顯示功能設置固定節點坐標并且顯示盲節點的實時位置[5]。多次測試后顯示，定位誤差在50～85cm,基本滿足定位需求。

5 結論

本文設計了以ZigBee 節點技術為基礎的室內消防人員定位系統，運用了預設測距定位算法，對系統整體的框架做了設計。所運用的ZigBee 技術具有安全穩定、低功耗低成本、響應間隔短（即從非工作狀態切換到工作狀態所需時間短）等優點，以CC2530 作為Zigbee 芯片，經過測試，基本能夠勝任于火災環境下的定位。如果該系統經過更加全面的優化后，將能為我國消防救援事業提供不小助力。