無(wú)線網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位系統(tǒng)研究

馮業(yè)偉

【摘要】 本文基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和分析，對(duì)基于ZigBee的室內(nèi)定位平臺(tái)的組成和相關(guān)定位算法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，最后給出了一套完善的室內(nèi)定位系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路，該系統(tǒng)具有非常好的擴(kuò)展性和定位精度，對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)的研究發(fā)展具有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 室內(nèi)定位 ZigBee 定位引擎

一、前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和通信網(wǎng)絡(luò)的普及，室內(nèi)家電設(shè)備的單片機(jī)化和智能化得到了快速的拓展，促進(jìn)了無(wú)線定位、組網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字家庭等現(xiàn)代化理念不同程度的融入到人們的日常生活中來(lái)，提高了居家生活的自動(dòng)化水平。無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟對(duì)新型無(wú)線業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了條件，隨著社會(huì)的發(fā)展，需要使用定位功能的應(yīng)用越來(lái)越多。為了有效解決各類應(yīng)用的自動(dòng)定位問(wèn)題，人們首先研發(fā)了基于衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的定位精度較高，在軍事領(lǐng)域解決了很多問(wèn)題。但是，如果需要定位的設(shè)備位于室內(nèi)時(shí)，這種定位方式的精度會(huì)顯著下降。因此，需要對(duì)新的更優(yōu)良的定位技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和研究，以彌補(bǔ)全球定位系統(tǒng)的不足。

到現(xiàn)在為止，比較常見的定位技術(shù)包括無(wú)線局域網(wǎng)、紅外線、RFID和超聲波技術(shù)等。已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際環(huán)境中的典型系統(tǒng)包括E-911、LANDMARC、Activebadge等，這類系統(tǒng)在工作原理和開發(fā)成本上都存在很大的區(qū)別，同時(shí)，不同系統(tǒng)的定位精度也存在不同。但是，如果只考慮室內(nèi)移動(dòng)設(shè)備的定位研究，則主要包括基于網(wǎng)絡(luò)的和基于移動(dòng)設(shè)備的方式。前者主要是根據(jù)不同的參考基站與移動(dòng)設(shè)備的通信信息，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)計(jì)算設(shè)備的實(shí)際位置；后者則是根據(jù)移動(dòng)設(shè)備當(dāng)前與以前的和其通信基站的交流信息進(jìn)行對(duì)比，來(lái)對(duì)設(shè)備的自身位置進(jìn)行計(jì)算，GPS就是該領(lǐng)域最常用的應(yīng)用。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)是使用無(wú)線射頻信號(hào)或紅外線信號(hào)等傳輸媒體構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，因?yàn)椴皇褂糜芯€介質(zhì)，因此能夠滿足網(wǎng)絡(luò)用戶隨身化的需求。當(dāng)前的短距無(wú)線技術(shù)主要包括無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、NFC傳輸技術(shù)和超寬帶技術(shù)，尤其是ZigBee技術(shù)已經(jīng)成為領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。和其他的技術(shù)對(duì)比，ZigBee具有低功耗、低速率和低成本的優(yōu)秀特點(diǎn)，填補(bǔ)了當(dāng)前無(wú)線通信領(lǐng)域的市場(chǎng)空缺，該技術(shù)的成功關(guān)鍵不只是因?yàn)楸旧淼募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，還在于其功能的豐富性和使用的便捷性。所以，本文基于ZigBee技術(shù)，對(duì)高定位精度、高使用便捷性的室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

二、室內(nèi)定位系統(tǒng)研究

2.1硬件設(shè)計(jì)

本室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括控制單元和基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。其中，系統(tǒng)控制單元主要是用來(lái)對(duì)定位數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行記錄的構(gòu)件。比較常見的控制單元包括ARM控制器和個(gè)人計(jì)算機(jī)等。但是，通常情況下，二者都不具有嵌入式的射頻收發(fā)功能。所以，在實(shí)際的使用過(guò)程中，還需要和外部射頻模塊相連接。

基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要使用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要包含1個(gè)網(wǎng)關(guān)（該網(wǎng)管是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的的協(xié)調(diào)器，主要對(duì)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的定位進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)，另外還對(duì)網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行檢查）、不少于3個(gè)的參考節(jié)點(diǎn)（參考借點(diǎn)是位置已知的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，而且要求該設(shè)備的物理位置保持固定不變）、以及定位節(jié)點(diǎn)（定位借點(diǎn)的位置會(huì)隨著位置的變化而變化，詳細(xì)的位置信息基于接收的參考節(jié)點(diǎn)位置，并通過(guò)硬件定位引擎的計(jì)算得到的）。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，網(wǎng)關(guān)和參考節(jié)點(diǎn)使用CC2430射頻芯片，定位節(jié)點(diǎn)使用支持2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的、具有定位引擎硬件的CC2431射頻芯片，控制器使用Samsung的處理器S3C2410。在數(shù)據(jù)的傳輸和處理過(guò)程你高中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間使用無(wú)線傳輸模式，而控制器和網(wǎng)關(guān)之間則使用串口通信的方式。

2.2定位算法概述

定位系統(tǒng)在接收到幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)以后，定位節(jié)點(diǎn)要對(duì)所得信號(hào)的傳播損耗進(jìn)行獨(dú)立的計(jì)算。然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚摶罁?jù)，把計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為實(shí)際的有效距離，最后再使用已有的算法對(duì)定位節(jié)點(diǎn)的真實(shí)位置進(jìn)行定位。

接收信號(hào)的強(qiáng)度理論值計(jì)算公式為：

RSSI=-（10n*lgd+A）

其中，d表示設(shè)備到發(fā)射器之間的長(zhǎng)度；n表示信號(hào)的傳播常量；A表示1m處位置接收信號(hào)強(qiáng)度。

從公式中可以明顯的發(fā)現(xiàn)，信號(hào)的強(qiáng)度與到發(fā)射器間的有效距離成對(duì)數(shù)衰減關(guān)系，定位節(jié)點(diǎn)和發(fā)射器間的長(zhǎng)度離得越近，則信號(hào)強(qiáng)度偏差所產(chǎn)生的絕對(duì)距離誤差就會(huì)越小。當(dāng)這一距離到達(dá)某一個(gè)特定的數(shù)值以后，由RSSI波動(dòng)造成的絕對(duì)距離誤差就會(huì)顯著的增大。

在實(shí)際的使用過(guò)程中，室內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)會(huì)使用較大的RSSI值的前面幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，這樣能夠有效降低系統(tǒng)帶來(lái)的定位誤差。這一硬件技術(shù)的要求比較低，使用的算法也相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，由于定位設(shè)備所處的環(huán)境會(huì)經(jīng)常變化，因此在實(shí)際的使用過(guò)程中要進(jìn)行改進(jìn)。

與一些常見的定位技術(shù)相比，CC2431定位引擎的定位速度快、定位精度高，而且在定位過(guò)程中不占用過(guò)多的處理器時(shí)間，因此可以作為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的定位模塊。

2.3軟件系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)的開發(fā)主要基于Linux系統(tǒng)平臺(tái)，在程序開發(fā)環(huán)境中對(duì)定位系統(tǒng)的圖形化操作界面、信息展示界面和定位圖形監(jiān)控界面進(jìn)行編寫，并將其移植到控制單元ARM中。

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的串口程序過(guò)程中，需要首先建立一系列的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收線程，在主函數(shù)中要使用信號(hào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的時(shí)時(shí)傳遞。詳細(xì)的系統(tǒng)操作流程如下圖所示：

三、結(jié)論

定位技術(shù)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在室內(nèi)應(yīng)用的主要支撐技術(shù)。該技術(shù)是對(duì)GPS技術(shù)的擴(kuò)展和補(bǔ)充，在醫(yī)療救助、設(shè)備監(jiān)測(cè)、物流跟蹤、火災(zāi)報(bào)警等領(lǐng)域具有非常迫切的市場(chǎng)需求，因此具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。本文主要根據(jù)最近幾年來(lái)的室內(nèi)定位研究成果，對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和定位技術(shù)的模型分析進(jìn)行了總結(jié)和歸納，對(duì)定位系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、定位算法和基本定位流程進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。由于室內(nèi)樓層之間存在很多不確定的因素，而且定位數(shù)據(jù)的傳輸較其他環(huán)境也具有更大的復(fù)雜性，所以，對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究必然會(huì)成為未來(lái)定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)。未來(lái)的室內(nèi)定位技術(shù)要以高定位精度、強(qiáng)適應(yīng)性和對(duì)環(huán)境、時(shí)間波動(dòng)的適用性為前提，并能夠進(jìn)行快捷的、方便的部署，這對(duì)系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用十分重要。

參 考 文 獻(xiàn)

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