基于ZigBee无线网络的室内定位系统设计

摘  要： 深入分析现有室内定位技术及其特点，详细介绍了基于ZigBee无线网络的室内定位试验平台的硬件组成和定位算法，给出了无线网络定位图形化监视软件的关键技术，以移动小车为载体进行了目标点定位试验研究。结果表明该定位系统具有良好的定位精度与可扩展性。
关键词： 无线网络；室内定位；ZigBee；硬件定位引擎
   　IT产业的高速发展、网络的普及、家电的智能化和单片机强有力的功能拓展，使得数字家庭、无线定位、无线组网等新概念已不同程度地融入人们的生活环境中。无线通信技术的成熟与发展促进了新兴无线业务的出现，越来越多的应用都需要定位服务。为解决自动定位的问题，基于卫星通信的全球定位系统（GPS）应运而生，其良好的定位精度解决了很多诸如军事和民用等方面的实际问题；但当需要定位的物体位于建筑物内部时，其定位精度会明显下降。因此，必须研究新的定位技术以弥补GPS的不足。迄今为止，常见的室内定位技术有红外技术、无线局域网技术、超声波技术和RFID技术。典型的系统有Active badge、Crickets、LANDMARC、RADAR、E-911等[1-4]，这些系统在定位精度、网络构建成本以及工作原理上各有不同。但就其针对移动物体的室内定位技术而言，可分为基于移动设备的方法和基于网络的方法。前者主要由移动设备根据当前和以前与其通信的参考基站信息，计算出自身的位置，其最典型的应用是GPS；而后者则是网络根据其参考基站和移动设备通信的信息（时间和信号强度等），结合网络的拓扑结构计算出移动设备的位置实现定位。
     无线网络是利用无线电射频RF(Radio Frequency)或红外线IR(Infrared)等无线传输媒体与技术构成的通信网络系统。由于取消了有线介质(双绞线、同轴电缆、光纤等)，从而可以满足网络用户信息随身化的理想需求。目前短距离无线网络技术包括ZigBee、无线局域网(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UWB)和近距离无线传输(NFC)，已成为业界谈论的热点[5]。与其他技术相比，ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。因此，本文基于ZigBee技术和嵌入式技术，以构建简单、定位精度高为目的，构建室内定位试验平台。
1 硬件设计与定位算法
1.1 硬件设计
     室内定位试验平台主要由ZigBee无线网络与控制单元两部分组成，如图1所示。其中，控制单元用于收集定位数据及网络中各节点的交互。典型的控制单元是PC机或ARM控制器，但通常两者均不具备嵌入式射频收发器，因此实际应用中尚需外部搭接射频模块。ZigBee无线网络是基于IEEE802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络，包括1个网关（作用相当于ZigBee的协调器，负责整个定位无线网络服务、协调，以及网络状态检查等）、3个以上的参考节点（为已知位置的节点，并且其物理位置固定不变）和1个定位节点（其位置随时变化，由CC2431硬件定位引擎通过接收参考节点的RSSI值经过固有定位算法计算而得）。
   
       网关和参考节点均采用TI公司的射频芯片CC2430，定位节点采用支持2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee协议的带有硬件定位引擎的射频芯片CC2431，移动小车采用履带式两轮驱动方式，控制器采用Samsung公司的S3C2410处理器。数据传输方面，网络节点（参考节点、定位节点和网关）之间采用无线传输方式，网关与控制器之间采用串口通信方式。装备有网关和定位节点的移动小车如图2所示。
   
   1.2 定位算法
     接收到参考节点的信号强度后，定位节点独自计算所得信号的传播损耗，基于理论与经验模型将其转化为有效距离，最后利用已有算法得到定位节点的具体位置。接收信号强度理论值为：
     RSSI=-(10n·lgd+A)
式中，d为到发射器之间的距离；n为信号传播常量；A为在1 m处接收到信号的强度。可以看出，信号强度与到发射器之间的距离成对数衰减的关系，定位节点与发射器之间的距离越近，由信号强度偏差产生的绝对距离误差就越小。当该距离达到某一数值后，由RSSI波动所造成的绝对距离误差将会很大。在实际应用中，定位节点会采用RSSI值较大的前几个参考节点进行定位计算，以避免定位误差的扩大。该技术硬件要求较低，算法相对简单，但由于环境因素变化的影响，在实际应用中往往需要改进。与常见的软件定位方法相比，CC2431硬件定位引擎具有速度快、精度高且不占用处理器时间等优点，采用分布式计算方法以避免集中计算方法造成的网络传输与通信延迟的问题。
1.3 软件系统
     基于Ubuntu系统（内核为Linux2.6版本），在跨平台应用程序集成开发环境Qt Creator中编写无线网络定位图形化监控软件，并移植到ARM系统中[6]。串口通信程序设计过程中，必须创建串口数据接收与发送线程，并在主函数体中采用信号/槽机制实现串口数据的实时传递，具体操作流程如图3所示。此方法可以实现移动小车在实验环境中初始位置的随意设定，且不影响定位精度。
   
   2 试验研究
     将ZigBee无线网络中的8个参考节点(CC2430)按照一定规则分布于12 m×12 m的室内空间，网关及定位节点安装在移动小车上。移动小车采用履带式两轮驱动底盘，控制器为S3C2410处理器，通过串口方式与ZigBee无线网络中的网关相连接。将移动小车放置于8个参考节点所包含的范围内，方向任意，结果如图4所示。