基于ZigBee技術的商場定位系統建立

孫聃石,楊 力,趙海山,王夢茹

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院，河南 鄭州，450001)

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基于ZigBee技術的商場定位系統建立

孫聃石,楊 力,趙海山,王夢茹

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院，河南 鄭州，450001)

ZigBee室內定位系統利用優化的參數化算法計算位置坐標。由于信號傳輸距離影響定位精度，實驗利用不同的定位網絡布設方式來確定信號傳輸距離對定位精度的影響程度，從而找出最佳的布設方式。建立定位系統來滿足在商場中對人和物品的定位，進而節約工程成本。

ZigBee；優化；參數化算法；定位

智慧城市目前是一個受到人們廣泛關注的話題，而其中室內定位導航作為智慧城市中不可或缺的一部分也吸引了許多人的目光。但是目前人們所常用的定位系統為全球衛星定位系統(GNSS)，由于在室內一般無法接收到衛星信號，所以對于室內的位置信息服務并不采用GNSS。ZigBee室內定位技術是一種新型的技術，它具有低能耗、低成本、高安全性、高可靠性、短延時等特點[1]，這些特點適合工程應用。

鑒于ZigBee技術的特點，本文提出了利用ZigBee室內定位技術和優化的參數化定位算法建立具有較高定位精度的商場定位系統。目前常用的定位算法可分為基于測距的定位算法、無需測距的定位算法和基于RSSI的加權質心定位算法[2]。而在實際應用中，基于測距的定位算法要求的定位環境較為理想，不適合于人流較大的公共場所，無需測距的定位算法其定位在精度上存在一定缺陷。本文采用基于RSSI的加權質心定位算法優化的參數化定位算法。

1 優化的參數化算法

由于傳輸距離對定位精度存在一定的影響，在優化的參數化算法中距離與信號強度(RSSI)之間有經驗公式

(1)

式中:N為傳播常數；d為發射機與接收機之間的距離;r為接收到的信號強度(RSSI);A為在1 m距離處的接收信號強度[1]。由式(1)可推出傳播距離d與已知的r,A,N參數之間所存在的關系為

(2)

(3)

(4)

到移動節點坐標p的解

(5)

圖1 定位原理圖

2 定位系統的組成和定位網絡布設

2.1 定位系統的組成

ZigBee無線傳感器定位的網絡中存在3種類型的節點，擁有不同的功能，其分別為移動節點(待定位節點)、網關節點(協調器)和參考節點[3-5]。網關節點(協調器)的任務主要是實時采集數據和搭建網絡，選擇CC2430芯片，其主要功能首先要回應電腦(上位機)發出的請求，開啟無線傳感器網絡，等待其他點入網；同時還接收參考節點與移動節點數據，并將其傳送給上位機；網關節點也擁有參考節點的功能。系統中的參考節點是一些靜止的、確定所在位置坐標的固定節點[6-8]；同時，參考節點還具有路由的功能[9]，參考節點同樣選擇CC2430芯片。在參考節點包圍的區域內，移動節點(即待定位節點)可任意移動，定位功能的實現就是獲得參考節點的位置信息，其主要任務是移動節點計算各個參考節點提供RSSI值的平均值并取最大值發送給網關節點，上傳給上位機監測軟件處理。移動節點所使用的是CC2431芯片，整個定位系統流程如圖2所示。

2.2 定位網絡布設

ZigBee室內定位模塊的信號傳輸距離為64 m[10]，然而復雜的室內環境多路徑效應嚴重，且環境易于改變。尤其是像商場這樣的擁有較為復雜內部環境的公共場所，不會存在較長的直線通道，所以基于現實環境考慮，參考節點之間的距離可以設置為20 m或是10 m。通過定位算法可知，定位網絡必須由3個或以上參考節點形成后方交匯來完成定位。其布設的方式可以分為如圖3所示，旨在確定參考節點相距不同距離時，定位所帶來的誤差。

圖2 定位流程

圖3 不同間距參考節點布設

由于定位網絡需要3個或以上節點，在布設時為了節約成本，可以將3個參考節點形成的定位網絡與之前4個參考節點所形成的定位網絡(見圖4)

所得到的定位結果進行對比，通過分析選取最終的布設方法。

圖4 不同方式參考節點布設

3 試驗及數據分析

實驗首先按照圖3的方式將參考節點布設在長44 m寬為3 m經常有人通過的走廊內，其室內定位環境如圖5所示。為了使信號不受到遮擋，將參考節點布設在距離地面高為2 m的位置以減少信號遮擋。

圖5 定位環境

在定位網絡覆蓋的走廊內選取3個坐標已知的點，讓待定位標簽進入定位網絡時通過3個坐標已知的點，記下定位坐標，并與已知坐標對比,定位結果如表1、表2和圖6所示。

表1 定位結果(參考節點間距20 m)

表2 定位結果(參考節點間距10 m)

圖6 定位結果對比(不同間距參考節點布設)

通過兩種布設方式所得到的定位結果與已知坐標對比可知，在人流量較大的走廊內，相鄰參考標簽間距為20 m時，所測得的3個點的平均定位誤差較大，達到3 m左右，且定位不穩定。而相鄰參考節點的距離為10 m時，所測得的3個點的平均定位誤差為1.7 m，定位較為穩定。從而可知，在公共人流較大的公共場所內，ZigBee室內定位網絡的布設應選擇參考標簽間距為10 m左右的方式。利用相同的方法來比較圖4中兩種布設方式所得到的定位結果，通過實驗得到其定位結果如表3所示。

表3 定位結果(參考節點間距10 m，錯開布設)

實驗對比結果通過圖7可明顯得出，當參考節點交錯布設時，1、3兩點所在的定位網絡只由3個參考節點構成時，算法上雖然可以完成計算，但是定位精度較低，且不穩定，無法滿足工程上的需求。因此,采用間距為10 m，在局域采用4個或以上的參考節點所構成的定位網絡對待定位節點定位，滿足需求。

圖7 定位誤差對比(不同方式參考節點布設)

4 結束語

ZigBee室內定位技術所出現的時間并不長，但是由于其獨有的特點使得應用較為廣泛，實驗采用優化的參數化定位算法對待定位標簽進行定位，通過對不同間距以及不同數量的參考標簽所構成的定位網絡所得到的定位結果進行對比，確定了在公共場所內ZigBee定位系統的最優建立方式，具有實際意義。該系統不僅可應用于商場內的定位，同時還能應用于井下人員定位，辦公樓的人員監測，監獄的人員定位等。

[1] 萬群,郭賢生,陳章鑫.室內定位理論、方法和應用[M].北京:電子工業出版社,2012.

[2] 王楠,王鍇,王小波.基于ZigBee的礦井定位系統設計及精度分析[J].數字技術與應用,2014(6)：62.

[3] 彭宇倩.基于ZigBee室內定位的智能導游系統研究[D].廣州：廣東工業大學,2014.

[4] 何英. ZigBee定位技術及消防安全應用[D].南昌：南昌大學,2011.

[5] 申軍濤. 基于 RFID/ZigBee 實驗室設備遠程監控系統的設計[D].保定：河北大學,2014.

[6] 孫聃石,楊力.ZigBee定位技術在珍貴物品監測中的應用[J].測繪與空間地理信息,2015,38(7):191-192.

[7] 梁芳.基于ZigBee的監區人員定位研究[D].太原：中北大學,2014.

[8] 武越.基于ZigBee的無線傳感器網絡定位技術的研究[D].大連：大連海事大學,2014.

[9] 饒志訓.基于ZigBee技術的室內定位系統研究[D].武漢：湖北工業大學,2014.

[10] 劉艷,吳蒙.基于ZigBee技術的室內定位系統的研究[J].計算機技術與發展,2014,24(4):181-185.

[責任編輯：劉文霞]

A shopping mall positioning system based on ZigBee technology

SUN Danshi，YANG Li，ZHAO Haishan,WANG Mengru

(School of Navigation and Aerospace Engineering, Information Engineering Univercity,Zhengzhou 450001，China)

ZigBee indoor positioning system uses the optimized parameters of the algorithm to calculate the position coordinates. Because the signal transmission distance influences the positioning accuracy, experiments are made with different ways of locating network layout to determine a signal transmission distance which can influence the positioning accuracy, and to find the best layout mode. The positioning system is proposed to be in shopping malls to locate people and goods, thus saving engineering costs.

ZigBee; optimization; parametric algorithm; positiong

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.02.011

2015-12-25

孫聃石(1990-)，男，碩士.

TP302

A

1006-7949(2017)02-0048-04

引用著錄：孫聃石,楊力,趙海山，等.基于ZigBee技術的商場定位系統建立[J].測繪工程，2017，26(2)：48-51.