基于RSSI的ZigBee室內無線定位系統設計

【摘要】隨著物聯網技術的快速發展，室內定位技術在機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場等復雜環境中得到了廣泛應用，也在國防新質戰斗力生成發揮了重要作用。傳統的室內定位技術如WiFi、RFID和藍牙等，存在功耗高、距離短、易受干擾等問題。相比之下，ZigBee技術以其低功耗、低成本和良好的抗干擾能力，成為實現室內無線定位的一種理想選擇。本文設計了一種基于ZigBee技術的室內無線定位系統，通過RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示）測距方法，實現了高精度的室內定位。

【關鍵詞】RSSI|ZigBee|無線定位|新質戰斗力

近年來，數據業務、多媒體業務及國防技術的快速增加，推動了人們對定位與導航需求的顯著增長。特別是在復雜的室內環境中，準確確定移動終端、設施及物品的位置變得至關重要。然而，當前的定位技術受限于定位時間、定位精度和室內環境的復雜性，尚不能完全滿足這些需求。作為一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，ZigBee憑借其低功耗、低成本和出色的組網能力，在室內定位領域展現出了巨大的應用潛力。

一、ZigBee技術概述

（一）ZigBee技術特點

ZigBee是一種雙向無線通信技術，它基于IEEE802.15.4標準，專為近距離、小流量、低功率的應用場合設計。該技術的主要特點包括低功耗、低成本、低功率以及低復雜度。由于其強大的組網能力，ZigBee能夠構建星型、樹型和MESH網狀網等多種網絡結構。在功耗方面，ZigBee設備僅需2節5號電池即可維持長達6個月至2年的使用時間，這顯著延長了設備的運行周期。同時，相較于其他無線設備，ZigBee的成本更低，這使得它在眾多無線通信技術中脫穎而出。

（二）ZigBee技術標準

ZigBee協議棧的結構包含五個層次：物理層、數據鏈路層、網絡層、應用架構層和應用層。其中，數據鏈路層和物理層遵循IEEE802.15.4標準的規定，而應用層和網絡層的規范則由ZigBee聯盟制定。在頻段使用方面，ZigBee技術支持三個頻段：2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段以及美國的915MHz頻段。國內廣泛采用的是2.4GHz頻段，這一頻段無需申請和支付使用費，具有便捷性。該頻段采用直接序列擴頻技術（DSSS），其傳輸距離通常在10到75米之間（若增加RF發射功率，距離可擴展至約500米）。此外，2.4GHz頻段的傳輸速率可達20到250kb/s，確保了數據傳輸的高效性。

（三）ZigBee技術原理

基于ZigBee技術的室內定位系統，通過部署靜態的參考節點與動態的移動節點來構建傳感器網絡。參考節點負責發送其位置信息及RSSI值至移動待測節點，后者接收這些信息后，通過內置的定位模塊進行數據分析和計算，從而確定自身位置。此系統通常采用分布式節點配置，旨在減輕網絡數據處理負擔并減少通信延遲。ZigBee技術還運用直接序列擴頻技術來增強其抗干擾性能。該系統在定位精度上可達到2～5米范圍內。

二、常用的室內定位方式

（一）接收信號強度

RSSI（接收信號強度指示）是一種定位技術，它依據測量定位節點接收到的來自其他節點的無線信號強度作為定位特征。具體來說，通過采集RSSI值，可以利用這些數據來確定目標節點的位置。最常用的方法之一是基于路徑損耗模型（又稱三邊測量法）來實現定位。當我們已知接入點（AP）的位置時，可以利用信號衰減模型來估算移動設備與各個AP之間的距離。隨后，以這些距離為半徑，在移動設備周圍繪制圓，這些圓的交點即為該設備的位置。

（二）信號到達時間

TOA（Time of Arrival）定位技術涉及被測點（標簽）發射信號至少三個參考節點接收機（基站）。通過精確測量信號到達每個接收機的時間，可以計算出發射點與各個接收點之間的距離。隨后，以每個接收機為圓心，以所測得的距離為半徑分別繪制圓。理論上，這三個圓的交點即為被測點（標簽）的確切位置。

（三）信號到達時間差

TDOA（Time Difference of Arrival）定位技術與TOA類似，但關鍵差異在于它測量的是信號到達不同參考節點之間的時間差，而非絕對時間。這一特性使得TDOA系統僅要求參考節點之間保持時間同步，無需被測點與參考節點之間的嚴格時間同步，從而簡化了系統配置。因此，TDOA在定位系統中得到了廣泛應用。在二維定位中，TDOA方法又稱為雙曲線定位，通常需要使用四個定位基站。通過測量被測標簽到每兩個基站之間信號傳播的時間差，可以計算出相應的距離差。當這些距離差等于某個常量時，可以繪制出雙曲線。最終，這些雙曲線的交點即確定了被測標簽的精確坐標。

（四）信號到達角

AOA（Angle of Arrival）定位技術是通過測量節點發射的無線信號到達定位節點時，信號傳播方向與定位節點所在水平面之間夾角的大小來確定節點具體位置的方法。為了實現這一技術，需要使用角度傳感器或接收陣列來精確測量通信半徑內其他鄰近錨節點發射的信號到達定位節點的角度值。只有當這些角度值的測量足夠準確時，才能保證定位精度滿足系統的要求。

三、RSSI測距原理

RSSI測距方法是一種通過測量接收信號強度來估算信號源與接收點之間距離的技術。在ZigBee定位系統中，這一方法的具體應用是：首先，已知發射節點的發射信號強度；然后，接收節點根據接收到的信號強度計算出信號的傳播損耗；最后，利用既定的理論和經驗模型，將傳輸損耗轉化為實際的距離值。RSSI理論值可由公式（1）表示：

RSSI=–（10ncdotlgd+A） （1）

其中，n代表信號傳播指數（傳播常量），d代表距發射信號點間的距離，A代表距離1m時接收到信號強的度。信號的距離與衰減成對數衰減的關系。信號源到節點的距離越近，由RSSI值的偏差產生的絕對距離誤差就越小；而當距離大于某一值時，由RSSI波動造成的絕對距離誤差將變大。

四、系統設計

（一）系統架構

基于ZigBee技術的室內無線定位系統主要包含四個組成部分：參考節點、盲節點（也稱待定位節點）、網關以及控制終端（見表1）。其中，參考節點是位置已知的靜態節點，負責向盲節點發送包含自身位置坐標和RSSI值的數據包。盲節點接收到這些數據后，利用RSSI測距方法，結合接收到的信號強度，計算出自身的位置信息。隨后，盲節點將計算得到的位置信息發送給網關。網關作為中轉站，將這些位置信息轉發至控制終端。最終，用戶可以通過控制終端來查看盲節點的實時位置信息。

（二）硬件設計

（三）軟件設計

1.定位算法

定位算法采用基于RSSI的測距方法。盲節點接收來自參考節點的RSSI值，利用RSSI與距離之間的換算關系，計算出與參考節點之間的距離。然后，通過三角形勾股定理或最小二乘法等算法，計算出盲節點的位置坐標。

2.通信協議

系統采用ZigBee協議進行通信，各節點之間通過ZigBee網絡進行數據傳輸。ZigBee協議具有低功耗、低成本和強大的組網能力，非常適合用于室內無線定位系統。

3.上位機軟件

上位機軟件用于監控和管理整個系統，包括發送命令、接收位置信息、顯示地圖和進行數據分析等功能。上位機軟件需要與網關進行通信，接收網關發送的位置信息，并將其顯示在地圖上。

五、實驗與測試

（一）實驗環境

實驗環境選擇在一個典型的室內環境，如倉庫或展廳，該環境具有多個房間和走廊，能夠模擬復雜的室內環境。

（二）實驗步驟

部署參考節點：在實驗環境中選擇幾個已知位置點，部署參考節點，并記錄下它們的位置坐標。

部署盲節點：在需要定位的區域部署盲節點，盲節點開始接收來自參考節點的數據包。

數據收集：盲節點收集來自參考節點的RSSI值，并計算與參考節點之間的距離。

位置計算：盲節點通過定位算法計算出自身的位置坐標，并將位置信息發送給網關。

數據顯示：網關將位置信息轉發給控制終端，控制終端將位置信息顯示在地圖上。

（三）RSSI測距思路

1.路由A、路由B組播（不跨路由）數據給ZigBee協調器、節點。ZigBee協調器獲得獲得AS、BS的RSSI，節點獲得AN、BN的RSSI數據；

2.由盲節點點播（不夸路由）數據給協調器，并反饋AN、BN的數據，ZigBee協調器記錄SN的RSSI；

3.根據RSSI與距離之間的換算，可以獲得AS、BS、AN、BN、SN的長度；

根據三角形勾股定理，可計算出X，Y坐標（如圖1所示）。

（a-sx）^2+y^2=an^2；x^2+y^2=sn^2；（bs-x）^2+x^2=bn^2

（四）RSSI測距關系式

d=10^（）ABS（RSSI）-A）/（10*n））；（單位為m）

A為1m時的RSSI的絕對值，RSSI的真實值為接收包里rssi-255；絕對值ABS（RSSI）=255-rssi，A值的最佳范圍為45～49，n為環境衰減因子，需要測試矯正，最佳范圍在3.25～4.5之間。

（五）下位機設計

ZigBee協調器節點1個+ZigBee終端節點3個。

（六）上位機設計

綜合實驗結果，基于RSSI的ZigBee室內無線定位系統展現出了高度的穩定性（如圖2所示）。能夠在多種實驗條件下維持相對一致的定位性能。此外，得益于ZigBee技術本身具有的低通信延遲和高數據傳輸速率特點，該系統能夠實時、高效地提供定位信息。

六、結語

本文介紹了一種基于ZigBee技術的室內無線定位系統，該系統采用RSSI測距方法實現高精度室內定位。該系統的優勢在于低功耗、低成本以及出色的組網能力，使其能夠靈活應用于各種復雜的室內環境。展望未來，我們計劃進一步優化定位算法，旨在提升定位精度和系統穩定性。同時，考慮引入更多傳感器和智能設備，以期提供更加智能化的室內定位服務。隨著物聯網技術的持續進步，基于RSSI的ZigBee室內無線定位系統有望在更多領域得到廣泛應用，不僅為人們的日常生活和工作帶來便捷，也為國防帶來新質戰力提升。中國軍轉民

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【基金項目：江蘇高校哲學社會科學研究項目（NO.2018SJA0673）】

（作者簡介：陳國平，南京信息職業技術學院，副教授，高級工程師，研究方向為移動通信、通信與信息系統）