基于zigbee的室内定位系统设计

基于zigbee的室内定位系统设计【摘要】国内外许多公司和研究机构展开了基于ZigBee技术的无线定位技术研究。不过在实际应用中，因各种外部环境的限制，许多算法存在有待改进的方面，本文主要是利用Zigbee实现基于RSSI的定位算法的研究，提取RSSI值。【关键词】无线组网;室内定位算法;RSSI值1.ZigBee协议栈概述ZigBee技术作为一种新兴的低速率短距离无线通信技术，也是ZigBee联盟（ZigBeeAlliance）所主导的无线传感器网络技术标准。完整的ZigBee协议栈有物理层、MAC子层、网络层、应用汇聚子层和高层应用规范层组成。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点（SAP）为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。IEEE802.15.4-2003标准定义了底层：物理层（PhysicalLayer，PHY）和MAC层。IEEE802.15.4定义的PHY层分别工作在两个频段上：868/915MHz和2.4GHz。其中低频段物理层覆盖了868MHz的欧洲频段和915MHz的美国与澳大利亚等国的频段，高频段则全球通用。IEEE802.15.4MAC层采用CSMA.CA机制来控制信道接入，主要负责传输信标帧，同步以及提供可信赖的传输机制。ZigBee联盟在此基础上定义了网络层（NetworkLayer，NWK），应用层（ApplicationLayer，APE）架构。网络层的主要职责包括提供设备用来加入网络和离开网络的机制，提供数据帧传输的安全机制和路由机制。应用汇聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上。ZigBee设备对象（ZDO）负责定义设备在网络中的角色（如ZigBee协调器或中断设备），提出或响应绑定请求，以及建立网络设备间的安全关系。ZigBee设备对象（ZDO）还要负责网络设备的发现及判定对方提供服务类别。2.实用室内定位方法研究2.1基于RSSI的定位算法基于距离的定位，关键在于准确的获得节点间距离信息。从理论上来说，RSSI是收发双方间所传输功率和距离的函数。接收信号强度将随着距离的增加而减少，公式给出了RSSI与距离d的理论关系式。其中，n为信号传播常量，也称为传播指数;d是到信号发送者的距离。A是在1米处的接收信号强度值。RSSI（d）=-（10n*㏒10d+A）（2-1）2.2三边测距法在节点定位中，涉及到两类重要的节点，即参考节点和盲节点。他们的本质区别在于节点在加入网络之前能否知道自己的坐标位置，参考节点是知道的，而盲节点不知道，盲节点只能借助参考节点和网络中其它的参数来计算自己的坐标位置。常用的测距定位算法有：三边测量算法、三角测量算法和最大似然估计算法。本设计采用三边测距法。三边测距法如图3-1所示，以三个节点A、B、C为圆心的坐标分别为（Xa，Ya）、（Xb、Yb）（Xc、Yc），这三个圆周相交于一点D，交点D即为定位系统中的盲节点，A、B、C三个节点与交点D的距离分别为da，db，dc，假设交点D的坐标为（X，Y）。图2-1三边测距法则满足下列公式：（2-2）由上式可以得到交点D的坐标：（2-3）三边测距法的缺陷是：由于各个节点的硬件和功耗不尽相同，所测出的距离不可能是理想值，从而导致上面的三个圆未必刚好交于一点，在实际中，肯定是相交于一个小区域，因此利用此方法计算出来的（X，Y）坐标值存在一定的误差。3.基于ZigBee网络的定位系统设计3.1定位系统结构图定位系统结构图如图3-1所示。无线传感器定位网络中存在3种功能类型的节点，分别为协调器、参考节点和盲节点。协调器有协调器来充当，它在整个系统中起着至关重要的作用，首先它要响应上位机发出的命令，开启网络，等待其它类型节点入网，其次还要接收各节点上传的数据并传送给上位机软件处理。除完成自身特有功能外，协调器也可作为参考节点使用。参考节点是一类静止的、已知自身位置坐标信息的节点，它的任务是接收包含定位相关参量如RSSI和LQI值的数据包，并计算RSSI等参量的平均值，最终在盲节点打包各参量平均值后，将其发送给协调器，传回上位机监测软件处理。部分参考节点除完成参考节点相关功能外，它还具有链路路由功能。盲节点也称之为待定位节点，定位的目的就是要获得该类节点的位置坐标信息。图3-1定位系统结构图3.2实验结果在PC机上，用串口助手显示出提取到的RSSI值，结果如图3-2所示。红色方框内的数据就是提取到的RSSI值，和它的原码。接收到RSSI值的数据包后，计算RSSI等参量的平均值，最终在盲节点打包各参量平均值后，将其发送给协调器，传回上位机监测软件处理。参考文献[1]黄布毅，常亚军，张海霞.基于无线传感网络的煤矿安全监测系统设计[J].通信技术，2001.41（09）.[2]方水平，王怀群.浅析矿井人员定位系统中的定位技术[J].煤炭工程，2010（7）.[3]余丽娜，金志华，基于DTOA的无线定位算法研究及精度分析[J].计算机测量与控制，2006，14（9）.[4]孙戈，赵立军，张衡伟.基于VxWorks应急无线瓦斯浓度采集前端设计实现[J].通信技术，2009，42（05）.;包头师范学院教改项目《基于“项目驱动式”的“教-学-做”一体化单片机应用课程实践教改研究》（BSJG13Y034）。