ZigBee信號在無限感知系統(tǒng)位置中的應(yīng)用

孫 遒

(黑龍江科技大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

ZigBee 信號作為常見的無線通信媒介，已被科研人員熟知，如居室和辦公室都可以應(yīng)用。以無接觸的方式復(fù)用ZigBee 信號，來感知人或環(huán)境的情境信息已成為一個(gè)新興而極具潛力的研究方向，催生了一系列智能感知應(yīng)用，從小尺度的呼吸檢測、手指跟蹤、鍵盤輸入，到大尺度的跌倒檢測、行為識別、行走軌跡追蹤等。

相比于基于可穿戴設(shè)備的感知方式，ZigBee 無接觸感知無需被感知目標(biāo)攜帶任何設(shè)備，具有自然、非侵?jǐn)_的優(yōu)勢。ZigBee 無接觸感知的基本原理是：ZigBee 發(fā)送端發(fā)射無線電磁波信號，該信號受環(huán)境中靜態(tài)和動態(tài)目標(biāo)的反射、衍射、散射等物理現(xiàn)象的影響，通過多條路徑傳播到ZigBee 接收端。如果能建立接收信號與感知目標(biāo)活動狀態(tài)之間的映射關(guān)系，那么就能用接收到的ZigBee信號反演出目標(biāo)的活動狀態(tài)。

1 基于菲涅爾區(qū)模型的無線感知

2016 年，張大慶等學(xué)者將菲涅爾區(qū)模型引入到ZigBee 無接觸感知領(lǐng)域，從幾何空間的角度建立了ZigBee 信道狀態(tài)信息的波動模式與被感知目標(biāo)相對于收發(fā)設(shè)備的位置及其運(yùn)動軌跡之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為理解ZigBee 無接觸感知系統(tǒng)中的位置依賴性問題奠定了理論基礎(chǔ)。

1.1 基于菲涅爾區(qū)的衍射模型

假設(shè)空間中位置物體到直射路徑（LoS）的距離為，信號經(jīng)過P 點(diǎn)的路徑長度與路徑長度的差為：

那么，兩條路徑到達(dá)接收端信號的相位差為：

所以，物體到達(dá)前沿和后沿接收端的表達(dá)式為：

因此，物體在兩端產(chǎn)生的衍射增益為：

根據(jù)式⑸，模擬直徑為30cm的圓形物體穿越第一菲涅爾區(qū)的過程。假設(shè)收發(fā)設(shè)備相距3m，則第一菲涅爾區(qū)半徑為18cm，根據(jù)模型計(jì)算獲得的理論波形如圖1所示。

圖1 菲涅爾區(qū)信號疊加示意圖

1.2 基于菲涅爾區(qū)的反射模型

當(dāng)物體位于第一菲涅爾區(qū)以外時(shí)，反射現(xiàn)象占主導(dǎo)地位。此時(shí)，物體不會遮擋直射路徑，到達(dá)接收端的能量是物體反射信號和直射信號疊加的效果。ZigBee 接收端得到的信道狀態(tài)信息刻畫了經(jīng)過所有路徑的信號線性疊加的結(jié)果，這些路徑包括經(jīng)由LoS等不變的靜態(tài)路徑和由目標(biāo)移動引起的會發(fā)生變化的動態(tài)路徑。如果靜態(tài)路徑和動態(tài)路徑的信號合成矢量分別被表示為H（靜態(tài)信號矢量）和H（動態(tài)信號矢量），那么接收信號的振幅可表示為：

其中，是靜態(tài)信號矢量和動態(tài)信號矢量間的相位差，也被稱為菲涅爾相位。

1.3 模型驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證菲涅爾區(qū)衍射和反射模型。使用滑軌分別控制鐵罐和人體模型的移動，從菲涅爾以外移動直至穿越第一菲涅爾區(qū)，驗(yàn)證理論公式計(jì)算的接收信號和實(shí)際的物體移動接收到的信號的匹配程度。放置一對ZigBee收發(fā)設(shè)備，如圖2所示，天線具有高度相同，相互距離2m，ZigBee信號的中心頻率為5.24GHz，信號的波長為5.8cm。鐵罐直徑為17cm，人體模型的胸腔厚度為26cm，將鐵罐/人體模型放置于滑軌上，滑軌的速度設(shè)置為16cm/s。

圖2 模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)場景

如圖3所示，如果環(huán)境中僅有一個(gè)被感知目標(biāo)，當(dāng)它活動起來穿越第一菲涅爾區(qū)時(shí)，動態(tài)路徑信號呈類似正弦“sina”波形，其波峰波谷對應(yīng)物體穿越菲涅爾區(qū)邊界。物體到達(dá)第二菲涅爾區(qū)邊界時(shí)，信號的波峰對應(yīng)目標(biāo)穿越奇數(shù)菲涅爾區(qū)邊界的位置，信號的波谷對應(yīng)目標(biāo)穿越偶數(shù)菲涅爾區(qū)邊界的位置，形成類似“W”狀的波形模式。由于不同尺度大小的活動因幅度差異而導(dǎo)致穿越菲涅爾區(qū)的數(shù)量有明顯區(qū)別，下面將利用菲涅爾區(qū)模型分析小尺度活動的位置問題。

圖3 菲涅爾區(qū)模型的運(yùn)動軌跡與接收信號波動模式之間的關(guān)系

2 小尺度活動的位置依賴問題

像呼吸、敲擊鍵盤、嘴部動作等小尺度活動，其活動幅度往往只有毫米級或厘米級，無法穿越一個(gè)完整的菲涅爾區(qū)，使得接收信號的波形只是完整周期信號波形中的一個(gè)片段，該信號片段的模式與被感知目標(biāo)所在的菲涅爾區(qū)的位置相關(guān)。

以微小的手指活動為例，圖4 給出了四種典型的信號片段波動模式與其對應(yīng)的小尺度活動位置的關(guān)系。以位置1 和位置2 為例，當(dāng)手指從偶數(shù)菲涅爾區(qū)中間（位置1）開始向外側(cè)菲涅爾區(qū)運(yùn)動時(shí)，對應(yīng)的信號片段（片段1）位于周期波形的單調(diào)下降區(qū)域，信號波動較大；而當(dāng)手指輕微地移動到接近偶數(shù)菲涅爾區(qū)的邊界（位置2）時(shí)，對應(yīng)的信號片段（片段2）位于周期信號的波谷處，信號波動最小。總結(jié)歸納，小尺度活動的位置依賴性問題體現(xiàn)在存在感知盲區(qū)、對應(yīng)多種多樣的信號波動模式兩方面。而小尺度活動所在的菲涅爾區(qū)的位置對信號波動模式起決定作用。

圖4 小尺度活動的位置依賴問題

3 典型案例

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：為了驗(yàn)證上述分析的正確性，利用了兩臺配置有Intel5200 網(wǎng)卡的技嘉MiniPC 分別作為ZigBee 信號的發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備，如圖5 所示。其中，發(fā)射設(shè)備連接一根全向發(fā)射天線，接收設(shè)備連接兩根全向接收天線，兩根天線之間的間距為全波長。收發(fā)設(shè)備均安裝了哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的Tool 網(wǎng)卡驅(qū)動用來從網(wǎng)卡中提取信息。實(shí)驗(yàn)中采集在5.2GHz頻段，使用40MHz 的帶寬，采樣率設(shè)為200Hz。手指在圖所示的兩個(gè)位置分別進(jìn)行“開/關(guān)”手勢，接收信號如圖6所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同手指動作在不同位置對應(yīng)的接收信號不一致，微小的位置變換都會導(dǎo)致這種不一致性。

圖5 手指活動實(shí)驗(yàn)場景及位置振幅相位關(guān)系

圖6 “開/關(guān)”手指在位置1和2的接收信號

4 結(jié)束語

位置依賴性問題既是收發(fā)分離的無線非接觸感知系統(tǒng)的共性問題，也是無線非接觸感知領(lǐng)域尚未很好解決的問題。利用菲涅爾區(qū)感知理論可以很好地解釋和深入理解位置依賴性問題，并為ZigBee 等射頻信號無線感知系統(tǒng)提供普適的理論基礎(chǔ)，但基于菲涅爾區(qū)模型有效解決無線感知系統(tǒng)仍是未來普適計(jì)算領(lǐng)域挑戰(zhàn)性的問題。