基于ZigBee技术的室内定位系统的设计

引言

随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置。但是受定位时间、定位精度以及室内复杂环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它最显著的特点是低功耗和低成本。利用ZigBee技术实现定位具有低成本、低功耗的优点，且信号传输不受视距的影响。

1 相关核心技术概述

1.1 ZigBee技术概述

ZigBee技术[1]是一种新兴的近距离、低功耗、低成本、低数据率、低复杂度的双向无线通信技术，它是基于IEEE 802.15.4标准开发的无线协议。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE 802.15.4负责物理层和链路层标准。完整的ZigBee协议套件由应用层、应用架构层、网络层以及数据链路层和物理层等组成，协议栈结构如图1所示。

图1 ZigBee协议栈结构

ZigBee可使用的频段有3个，分别是2.4 GHz的ISM频段、欧洲的868 MHz 频段以及美国的915 MHz 频段，不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。中国采用2.4 GHz频段，它是免申请和免使用费的频段；采用直接序列扩频技术DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，传输距离介于10~75 m（增加RF发射功率，可达500 m）；传输速率为20~250 kb/s，适合传感器数据采集和控制数据的传输。ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网。

1.2 RSSI定位技术

RSSI[2]（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示）是指节点接收到的无线信号强度大小。在基于接收信号强度指示RSSI 的定位中,已知发射节点的发射信号强度,接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗,利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离,再利用已有的算法计算出节点的位置。该技术硬件要求较低、算法相对简单,在实验室环境中表现出良好特性;但由于环境因素变化的原因,在实际应用中往往还需要改进。接收信号强度是发射功率和发射器与接收器间距离的函数。

接收信号强度RSSI理论值可由式 (1)表示：

RSSI=-(10n?lgd+A)(1)

其中，n代表信号传播常量，也叫传播指数；d代表距发射器间的距离；A代表距离1 m时的接收信号强度。

信号的衰减与距离成对数衰减的关系。节点到信号源的距离越近, 由RSSI值的偏差产生的绝对距离误差越小；而当距离大于某一值时,由RSSI波动造成的绝对距离误差将会很大。一个未知节点可能收到n个参考节点的信号, 所以应当采用RSSI值大的前几个参考节点进行定位计算，这样可以避免定位误差扩大。

2 ZigBee技术实现定位的优势

(1) 功耗低

由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1 mW,而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。ZigBee设备仅靠2节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，其功耗远远低于其他无线设备。

(2) 成本低

与 GPS相比，定位引擎在单芯片 ZigBee RF收发器中与 MCU集成在一起，成本不及 GPS硬件的1/10，功耗也只是 GPS硬件的一小部分，并且ZigBee协议是免专利费的。

(3) 时延短

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30 ms，休眠激活的时延是15 ms，活动设备信道接入的时延为15 ms。因此ZigBee技术适用于对实时定位要求较高的应用。

(4) 网络容量大

一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，组网方式灵活。随着ZigBee技术的成熟，未来ZigBee设备不断增多，可以利用具有ZigBee RF的设备或基础设施,容易组建ZigBee网络，降低了ZigBee节点设计和组网成本,且利用更多的ZigBee设备可以达到更高的定位精度。

3 室内定位系统设计

3.1 系统结构

定位系统由盲节点（即待定位节点）和参考节点组成，为了便于用户获得位置信息，还需要一个与用户进行交互的控制终端和一个ZigBee网关。系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

参考节点是一个位于已知位置的静态节点,这个节点知道自己的位置并可以将其位置通过发送数据包通知其他节点。盲节点从参考节点处接收数据包信号,获得参考节点位置坐标及相应的RSSI值并将其送入定位引擎,然后可以读出由定位引擎计算得到的自身位置。由参考节点发送给盲节点的数据包至少包含参考节点的坐标参数水平位置X和竖直位置Y,而RSSI值可由接收节点计算获得。

一般来说参考节点越多越好,要得到一个可靠的定位坐标至少需要3个参考节点。如果参考节点太少,节点间影响会很大，得到的位置信息就不精确，误差大。对于CC2431,要得到