基于ZigBee無線網絡的室內定位系統設計*

顏兵兵，鄭大帥，張連軍，王躍輝

(佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯154007)

IT產業的高速發展、網絡的普及、家電的智能化和單片機強有力的功能拓展，使得數字家庭、無線定位、無線組網等新概念已不同程度地融入人們的生活環境中。無線通信技術的成熟與發展促進了新興無線業務的出現，越來越多的應用都需要定位服務。為解決自動定位的問題，基于衛星通信的全球定位系統（GPS）應運而生，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際問題；但當需要定位的物體位于建筑物內部時，其定位精度會明顯下降。因此，必須研究新的定位技術以彌補GPS的不足。迄今為止，常見的室內定位技術有紅外技術、無線局域網技術、超聲波技術和RFID技術。典型的系統有Active badge、Crickets、LANDMARC、RADAR、E-911 等[1-4]，這些系統在定位精度、網絡構建成本以及工作原理上各有不同。但就其針對移動物體的室內定位技術而言，可分為基于移動設備的方法和基于網絡的方法。前者主要由移動設備根據當前和以前與其通信的參考基站信息，計算出自身的位置，其最典型的應用是GPS；而后者則是網絡根據其參考基站和移動設備通信的信息（時間和信號強度等），結合網絡的拓撲結構計算出移動設備的位置實現定位。

無線網絡是利用無線電射頻RF(Radio Frequency)或紅外線IR(Infrared)等無線傳輸媒體與技術構成的通信網絡系統。由于取消了有線介質(雙絞線、同軸電纜、光纖等)，從而可以滿足網絡用戶信息隨身化的理想需求。目前短距離無線網絡技術包括ZigBee、無線局域網(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、超寬帶(UWB)和近距離無線傳輸(NFC)，已成為業界談論的熱點[5]。與其他技術相比，ZigBee技術填補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用，而不是技術本身。因此，本文基于ZigBee技術和嵌入式技術，以構建簡單、定位精度高為目的，構建室內定位試驗平臺。

1 硬件設計與定位算法

1.1 硬件設計

室內定位試驗平臺主要由ZigBee無線網絡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據及網絡中各節點的交互。典型的控制單元是PC機或ARM控制器，但通常兩者均不具備嵌入式射頻收發器，因此實際應用中尚需外部搭接射頻模塊。ZigBee無線網絡是基于IEEE802.15.4技術標準和ZigBee網絡協議而設計的無線數據傳輸網絡，包括1個網關（作用相當于ZigBee的協調器，負責整個定位無線網絡服務、協調，以及網絡狀態檢查等）、3個以上的參考節點（為已知位置的節點，并且其物理位置固定不變）和1個定位節點（其位置隨時變化，由CC2431硬件定位引擎通過接收參考節點的RSSI值經過固有定位算法計算而得）。

網關和參考節點均采用TI公司的射頻芯片CC2430，定位節點采用支持2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee協議的帶有硬件定位引擎的射頻芯片CC2431，移動小車采用履帶式兩輪驅動方式，控制器采用Samsung公司的S3C2410處理器。數據傳輸方面，網絡節點（參考節點、定位節點和網關）之間采用無線傳輸方式，網關與控制器之間采用串口通信方式。裝備有網關和定位節點的移動小車如圖2所示。

1.2 定位算法

接收到參考節點的信號強度后，定位節點獨自計算所得信號的傳播損耗，基于理論與經驗模型將其轉化為有效距離，最后利用已有算法得到定位節點的具體位置。接收信號強度理論值為：

式中，d為到發射器之間的距離；n為信號傳播常量；A為在1 m處接收到信號的強度。可以看出，信號強度與到發射器之間的距離成對數衰減的關系，定位節點與發射器之間的距離越近，由信號強度偏差產生的絕對距離誤差就越小。當該距離達到某一數值后，由RSSI波動所造成的絕對距離誤差將會很大。在實際應用中，定位節點會采用RSSI值較大的前幾個參考節點進行定位計算，以避免定位誤差的擴大。該技術硬件要求較低，算法相對簡單，但由于環境因素變化的影響，在實際應用中往往需要改進。與常見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間等優點，采用分布式計算方法以避免集中計算方法造成的網絡傳輸與通信延遲的問題。

1.3 軟件系統

基于Ubuntu系統（內核為Linux2.6版本），在跨平臺應用程序集成開發環境Qt Creator中編寫無線網絡定位圖形化監控軟件，并移植到ARM系統中[6]。串口通信程序設計過程中，必須創建串口數據接收與發送線程，并在主函數體中采用信號/槽機制實現串口數據的實時傳遞，具體操作流程如圖3所示。此方法可以實現移動小車在實驗環境中初始位置的隨意設定，且不影響定位精度。

圖3 串口數據處理與運動控制流程

2 試驗研究

將ZigBee無線網絡中的8個參考節點(CC2430)按照一定規則分布于12 m×12 m的室內空間，網關及定位節點安裝在移動小車上。移動小車采用履帶式兩輪驅動底盤，控制器為S3C2410處理器，通過串口方式與ZigBee無線網絡中的網關相連接。將移動小車放置于8個參考節點所包含的范圍內，方向任意，結果如圖4所示。

在保證網關成功啟動后，分別啟動各個參考節點以及定位節點，在車載液晶屏上人工設定目標點。目標點設置完成后，啟動自動定位功能程序，移動小車將根據事先設計好的定位算法行走，直至目標點停止運動。根據上述實驗方法進行了8組試驗，結果如表1所示。以歐幾米德距離來衡量定位誤差，經數據分析可以看出，小車能實現在未知車頭前進方向的情況下尋找自己前進的方向向量，并且能夠在行走誤差范圍內到達目標點，定位誤差約1.25 m，基本實現了基于ZigBee的室內定位并尋找目標點的試驗目標。

表1 移動小車尋找目的坐標的試驗數據

鑒于CC2431硬件定位引擎只能在64 m×64 m范圍進行定位計算，對于實際應用而言，需要增設一個前處理軟件算法，最大范圍可達16 384 m。基本思路是：首先定位最大RSSI值的參考節點并計算其到64 m×64 m正方形中心的偏移量d，然后定位其他參考節點并全部偏移d，再將所有數據送入硬件定位引擎計算結果，最后累加偏移量d，從而得到定位節點的坐標值。而對于三維空間定位而言，可以用一個字節表示Z方向，最多可達256層。可以推斷出，來自于不同層面的節點的信號強度要比同一層中的信號強度要低，這就意味著需要更密集的參考節點布置于實際環境中。

ZigBee技術是新興的無線通信技術，網絡功能強大，使用方便、成本低、功耗低，應用領域將越來越廣。本文根據實際應用的需要，完成了室內無線定位系統的設計與ARM嵌入式系統的結合和具體實現。該定位系統采用ZigBee無線通信技術和ARM嵌入式技術，將這種低功耗、低成本的無線通信技術和嵌入式技術結合并應用到了室內定位系統中，拓寬了ZigBee技術的應用領域。

在實際的測試場所對該系統進行了測試，測試結果表明所設計的系統達到了預期的要求，系統的定位精度可以滿足室內人員等移動目標的定位應用要求，系統具有較高的定位速度、較低的功耗和低廉的系統成本，具有較高的實用價值。

[1]WANT R，HOPPER A，FALCAO 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無線網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[6]韋東山.嵌入式 Linux應用開發完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.