摘  要： 深入分析現(xiàn)有室內(nèi)定位技術及其特點，詳細介紹了基于ZigBee無線網(wǎng)絡的室內(nèi)定位試驗平臺的硬件組成和定位算法，給出了無線網(wǎng)絡定位圖形化監(jiān)視軟件的關鍵技術，以移動小車為載體進行了目標點定位試驗研究。結(jié)果表明該定位系統(tǒng)具有良好的定位精度與可擴展性。
關鍵詞： 無線網(wǎng)絡；室內(nèi)定位；ZigBee；硬件定位引擎

　IT產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展、網(wǎng)絡的普及、家電的智能化和單片機強有力的功能拓展，使得數(shù)字家庭、無線定位、無線組網(wǎng)等新概念已不同程度地融入人們的生活環(huán)境中。無線通信技術的成熟與發(fā)展促進了新興無線業(yè)務的出現(xiàn)，越來越多的應用都需要定位服務。為解決自動定位的問題，基于衛(wèi)星通信的全球定位系統(tǒng)（GPS）應運而生，其良好的定位精度解決了很多諸如軍事和民用等方面的實際問題；但當需要定位的物體位于建筑物內(nèi)部時，其定位精度會明顯下降。因此，必須研究新的定位技術以彌補GPS的不足。迄今為止，常見的室內(nèi)定位技術有紅外技術、無線局域網(wǎng)技術、超聲波技術和RFID技術。典型的系統(tǒng)有Active badge、Crickets、LANDMARC、RADAR、E-911等[1-4]，這些系統(tǒng)在定位精度、網(wǎng)絡構(gòu)建成本以及工作原理上各有不同。但就其針對移動物體的室內(nèi)定位技術而言，可分為基于移動設備的方法和基于網(wǎng)絡的方法。前者主要由移動設備根據(jù)當前和以前與其通信的參考基站信息，計算出自身的位置，其最典型的應用是GPS；而后者則是網(wǎng)絡根據(jù)其參考基站和移動設備通信的信息（時間和信號強度等），結(jié)合網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)計算出移動設備的位置實現(xiàn)定位。
    無線網(wǎng)絡是利用無線電射頻RF(Radio Frequency)或紅外線IR(Infrared)等無線傳輸媒體與技術構(gòu)成的通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。由于取消了有線介質(zhì)(雙絞線、同軸電纜、光纖等)，從而可以滿足網(wǎng)絡用戶信息隨身化的理想需求。目前短距離無線網(wǎng)絡技術包括ZigBee、無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、超寬帶(UWB)和近距離無線傳輸(NFC)，已成為業(yè)界談論的熱點[5]。與其他技術相比，ZigBee技術填補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用，而不是技術本身。因此，本文基于ZigBee技術和嵌入式技術，以構(gòu)建簡單、定位精度高為目的，構(gòu)建室內(nèi)定位試驗平臺。
1 硬件設計與定位算法
1.1 硬件設計
    室內(nèi)定位試驗平臺主要由ZigBee無線網(wǎng)絡與控制單元兩部分組成，如圖1所示。其中，控制單元用于收集定位數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡中各節(jié)點的交互。典型的控制單元是PC機或ARM控制器，但通常兩者均不具備嵌入式射頻收發(fā)器，因此實際應用中尚需外部搭接射頻模塊。ZigBee無線網(wǎng)絡是基于IEEE802.15.4技術標準和ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議而設計的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，包括1個網(wǎng)關（作用相當于ZigBee的協(xié)調(diào)器，負責整個定位無線網(wǎng)絡服務、協(xié)調(diào)，以及網(wǎng)絡狀態(tài)檢查等）、3個以上的參考節(jié)點（為已知位置的節(jié)點，并且其物理位置固定不變）和1個定位節(jié)點（其位置隨時變化，由CC2431硬件定位引擎通過接收參考節(jié)點的RSSI值經(jīng)過固有定位算法計算而得）。

    網(wǎng)關和參考節(jié)點均采用TI公司的射頻芯片CC2430，定位節(jié)點采用支持2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的帶有硬件定位引擎的射頻芯片CC2431，移動小車采用履帶式兩輪驅(qū)動方式，控制器采用Samsung公司的S3C2410處理器。數(shù)據(jù)傳輸方面，網(wǎng)絡節(jié)點（參考節(jié)點、定位節(jié)點和網(wǎng)關）之間采用無線傳輸方式，網(wǎng)關與控制器之間采用串口通信方式。裝備有網(wǎng)關和定位節(jié)點的移動小車如圖2所示。

1.2 定位算法
    接收到參考節(jié)點的信號強度后，定位節(jié)點獨自計算所得信號的傳播損耗，基于理論與經(jīng)驗模型將其轉(zhuǎn)化為有效距離，最后利用已有算法得到定位節(jié)點的具體位置。接收信號強度理論值為：
    RSSI=-(10n·lgd+A)
式中，d為到發(fā)射器之間的距離；n為信號傳播常量；A為在1 m處接收到信號的強度?？梢钥闯觯盘枏姸扰c到發(fā)射器之間的距離成對數(shù)衰減的關系，定位節(jié)點與發(fā)射器之間的距離越近，由信號強度偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差就越小。當該距離達到某一數(shù)值后，由RSSI波動所造成的絕對距離誤差將會很大。在實際應用中，定位節(jié)點會采用RSSI值較大的前幾個參考節(jié)點進行定位計算，以避免定位誤差的擴大。該技術硬件要求較低，算法相對簡單，但由于環(huán)境因素變化的影響，在實際應用中往往需要改進。與常見的軟件定位方法相比，CC2431硬件定位引擎具有速度快、精度高且不占用處理器時間等優(yōu)點，采用分布式計算方法以避免集中計算方法造成的網(wǎng)絡傳輸與通信延遲的問題。
1.3 軟件系統(tǒng)
    基于Ubuntu系統(tǒng)（內(nèi)核為Linux2.6版本），在跨平臺應用程序集成開發(fā)環(huán)境Qt Creator中編寫無線網(wǎng)絡定位圖形化監(jiān)控軟件，并移植到ARM系統(tǒng)中[6]。串口通信程序設計過程中，必須創(chuàng)建串口數(shù)據(jù)接收與發(fā)送線程，并在主函數(shù)體中采用信號/槽機制實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的實時傳遞，具體操作流程如圖3所示。此方法可以實現(xiàn)移動小車在實驗環(huán)境中初始位置的隨意設定，且不影響定位精度。

2 試驗研究
    將ZigBee無線網(wǎng)絡中的8個參考節(jié)點(CC2430)按照一定規(guī)則分布于12 m×12 m的室內(nèi)空間，網(wǎng)關及定位節(jié)點安裝在移動小車上。移動小車采用履帶式兩輪驅(qū)動底盤，控制器為S3C2410處理器，通過串口方式與ZigBee無線網(wǎng)絡中的網(wǎng)關相連接。將移動小車放置于8個參考節(jié)點所包含的范圍內(nèi)，方向任意，結(jié)果如圖4所示。

    在保證網(wǎng)關成功啟動后，分別啟動各個參考節(jié)點以及定位節(jié)點，在車載液晶屏上人工設定目標點。目標點設置完成后，啟動自動定位功能程序，移動小車將根據(jù)事先設計好的定位算法行走，直至目標點停止運動。根據(jù)上述實驗方法進行了8組試驗，結(jié)果如表1所示。以歐幾米德距離來衡量定位誤差，經(jīng)數(shù)據(jù)分析可以看出，小車能實現(xiàn)在未知車頭前進方向的情況下尋找自己前進的方向向量，并且能夠在行走誤差范圍內(nèi)到達目標點，定位誤差約1.25 m，基本實現(xiàn)了基于ZigBee的室內(nèi)定位并尋找目標點的試驗目標。
    鑒于CC2431硬件定位引擎只能在64 m×64 m范圍進行定位計算，對于實際應用而言，需要增設一個前處理軟件算法，最大范圍可達16 384 m?；舅悸肥牵菏紫榷ㄎ蛔畲驲SSI值的參考節(jié)點并計算其到64 m×64 m正方形中心的偏移量d，然后定位其他參考節(jié)點并全部偏移d，再將所有數(shù)據(jù)送入硬件定位引擎計算結(jié)果，最后累加偏移量d，從而得到定位節(jié)點的坐標值。而對于三維空間定位而言，可以用一個字節(jié)表示Z方向，最多可達256層?？梢酝茢喑?，來自于不同層面的節(jié)點的信號強度要比同一層中的信號強度要低，這就意味著需要更密集的參考節(jié)點布置于實際環(huán)境中。
    ZigBee技術是新興的無線通信技術，網(wǎng)絡功能強大，使用方便、成本低、功耗低，應用領域?qū)⒃絹碓綇V。本文根據(jù)實際應用的需要，完成了室內(nèi)無線定位系統(tǒng)的設計與ARM嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合和具體實現(xiàn)。該定位系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術和ARM嵌入式技術，將這種低功耗、低成本的無線通信技術和嵌入式技術結(jié)合并應用到了室內(nèi)定位系統(tǒng)中，拓寬了ZigBee技術的應用領域。
    在實際的測試場所對該系統(tǒng)進行了測試，測試結(jié)果表明所設計的系統(tǒng)達到了預期的要求，系統(tǒng)的定位精度可以滿足室內(nèi)人員等移動目標的定位應用要求，系統(tǒng)具有較高的定位速度、較低的功耗和低廉的系統(tǒng)成本，具有較高的實用價值。
參考文獻
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