ZigBee定位解決方案

引言

　　設(shè)想一下，您沖進(jìn)購(gòu)物中心，急切地想為您的另一半選購(gòu)他(她)稱心如意的生日禮物。您很自然地掏出手機(jī)或 PDA 來解決如何選購(gòu)生日禮物的問題。此時(shí)，您的移動(dòng)手持終端設(shè)備將顯示出購(gòu)物中心的導(dǎo)購(gòu)圖，并在圖上標(biāo)明需前往的采購(gòu)區(qū)。移動(dòng)手持終端設(shè)備上還將隨時(shí)隨地顯示出您可能會(huì)感興趣的商品。

　　射頻 (RF) 技術(shù)有望使上述設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。有些ZigBee RF 設(shè)備中內(nèi)嵌的定位引擎可以與室內(nèi) GPS 系統(tǒng)相媲美，其內(nèi)嵌的定位引擎使用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的 RF 基礎(chǔ)設(shè)施來計(jì)算事物或人所處的位置。與 GPS 相比，定位引擎在單芯片 RF 收發(fā)器中與 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。該種定位引擎既可用于室內(nèi)，也可用于室外，而且只要有現(xiàn)成的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，就無需安裝移動(dòng)的接收天線。

　　其典型的應(yīng)用包括：

·遙控開/關(guān)房屋中所有房間的燈具;

·跟蹤碼頭倉(cāng)庫的集裝箱起運(yùn)情況;

·跟蹤網(wǎng)站的設(shè)備。

　　另外，當(dāng)新設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該定位引擎能夠確定其物理位置，因此，它還能用于簡(jiǎn)化無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置。

后臺(tái)設(shè)備

　　大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都要求具備一種確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置的方法。因此在設(shè)備安裝期間，需要弄清楚哪些節(jié)點(diǎn)相互之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，或者確定哪些節(jié)點(diǎn)直接與中央數(shù)據(jù)采集點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　當(dāng)通過基于軟件的計(jì)算方法來確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置時(shí)，就需要考慮到市場(chǎng)化解決方案 (market solution)。這些具體的計(jì)算方法是：節(jié)點(diǎn)首先讀取計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置的參數(shù)，然后將相關(guān)信息傳送到中央數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算，最后，再將節(jié)點(diǎn)位置的相關(guān)參數(shù)傳回至該節(jié)點(diǎn)。這就是典型的數(shù)據(jù)密集型計(jì)算，并且需要配置一臺(tái) PC 或高性能的 MCU。

　　這種計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置的方法之所以只適用于小型的網(wǎng)絡(luò)和有限的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，是因?yàn)檫M(jìn)行相關(guān)計(jì)算所需的流量將隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而呈指數(shù)級(jí)速度增加。因此，高流量負(fù)載加上帶寬的不足限制了這種方法在電池供電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

　　針對(duì)上述問題，CC2431 采用了一種分布式定位計(jì)算方法。這種計(jì)算方法根據(jù)從距離最近的參考節(jié)點(diǎn)(其位置是已知的)接收到的信息，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地計(jì)算，確定相關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置。因此，網(wǎng)絡(luò)流量的多少將由待測(cè)節(jié)點(diǎn)范圍中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量決定。另外，由于網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)隨著待測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而成比例遞增，因此，CC2431 還允許同一網(wǎng)絡(luò)中存在大量的待測(cè)節(jié)點(diǎn)。

　　本文所提供的結(jié)果是根據(jù)對(duì) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量得出的，然而，這些測(cè)量結(jié)果同樣適用于基于 IEEE 802.15.4協(xié)議構(gòu)建的更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)。

定位引擎技術(shù)

　　定位引擎根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)中臨近射頻的接收信號(hào)強(qiáng)度指示 (RSSI)，計(jì)算所需定位的位置。在不同的環(huán)境中，兩個(gè)射頻之間的 RSSI 信號(hào)會(huì)發(fā)生明顯的變化。例如，當(dāng)兩個(gè)射頻之間有一位行人時(shí)，接收信號(hào)將會(huì)降低 30dBm。為了補(bǔ)償這種差異，以及出于對(duì)定位結(jié)果精確性的考慮，定位引擎將根據(jù)來自多達(dá) 16 個(gè)射頻的 RSSI 值，進(jìn)行相關(guān)的定位計(jì)算。其依據(jù)的理論是：當(dāng)采用大量的節(jié)點(diǎn)后，RSSI 的變化最終將達(dá)到平均值。

　　在 RF 網(wǎng)絡(luò)中，具有已知位置的定位引擎射頻稱為參考節(jié)點(diǎn)，而需要計(jì)算定位位置的節(jié)點(diǎn)稱為待測(cè)節(jié)點(diǎn)。

　　要求在參考節(jié)點(diǎn)和待測(cè)節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)奈ㄒ恍畔⒕褪菂⒖脊?jié)點(diǎn)的 X 和 Y 坐標(biāo)。定位引擎根據(jù)接收到的 X 和 Y 坐標(biāo)，并結(jié)合根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)量得出的 RSSI 值，計(jì)算定位位置。

將定位技術(shù)納入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　一些采用定位引擎的應(yīng)用可能要求放置若干個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，以作為基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置不可或缺的一部分。ZigBee 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家庭、辦公以及工業(yè)等應(yīng)用的無線控制。隨著 ZigBee 設(shè)備在樓宇基礎(chǔ)設(shè)施中的安裝數(shù)量不斷增多，ZigBee 將會(huì)在家庭和辦公自動(dòng)化方面擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。

　　典型的辦公場(chǎng)所都會(huì)配置 ZigBee 設(shè)備，通過各辦公室和會(huì)議室中的溫度傳感器、控制溫度調(diào)節(jié)裝置以及 A/C 導(dǎo)管。同時(shí)，每個(gè)房間還會(huì)安裝由 ZigBee 控制的燈具開關(guān)和設(shè)備，而這些設(shè)備又易于作為定位引擎的參考節(jié)點(diǎn)。將 ZigBee 射頻作為 ZigBee 協(xié)議棧上的參考節(jié)點(diǎn)所需的代碼容量通常小于 1 Kb。

　　定位引擎從3~16 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)計(jì)算定位位置。如果定位引擎從 16 個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，它則會(huì)將接收到的參考節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行分類，然后采用 16 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)中信號(hào)最強(qiáng)的 RSSI 值。

擴(kuò)大覆蓋范圍

　　定位引擎的覆蓋范圍為 64m×64m，然而，大多數(shù)的應(yīng)用要求更大的覆蓋范圍。擴(kuò)大定位引擎的覆蓋范圍可以通過兩種方法來實(shí)現(xiàn)：

* 提高參考節(jié)點(diǎn)的輸出功率，同時(shí)降低定位引擎計(jì)算結(jié)果的精度;

* 在一個(gè)更大的范圍布置參考節(jié)點(diǎn)，并利用最強(qiáng)的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)參考節(jié)點(diǎn)的定位計(jì)算。

　　由于第二種方法能夠在定位引擎擴(kuò)大覆蓋面的同時(shí)不犧牲定位精度，因此更為可取。具體的工作原理是：網(wǎng)絡(luò)中的待測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播信息，并從各相鄰的參考節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，選擇信號(hào)最強(qiáng)的參考節(jié)點(diǎn)的 X 和 Y 坐標(biāo)。然后，計(jì)算與參考節(jié)點(diǎn)相關(guān)的其他節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。最后，對(duì)定位引擎中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并考慮距離最近參考節(jié)點(diǎn)的偏移值，從而獲得待測(cè)節(jié)點(diǎn)在大型網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際位置(見圖1)。

圖1 表明定位位置和信息路徑的ZigBee網(wǎng)絡(luò)

　　為了達(dá)到最佳的定位范圍，當(dāng)布置參考節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮到室內(nèi)和室外環(huán)境中天花板/地板的吸附作用。最佳的方案就是使各節(jié)點(diǎn)處于相同的高度，并遠(yuǎn)離地面、天花板以及墻壁。在實(shí)際的部署過程中要達(dá)到這種要求，是比較困難的。因此，盡量將參考節(jié)點(diǎn)固定在天花板的高度或低于天花板的高度，并使天線倒置以使 RF 信號(hào)向外和向下傳輸，同時(shí)將待測(cè)節(jié)點(diǎn)(手持或固定于設(shè)備)放置在人的腰部以上、頭部以下位置(此處提到的高度是以人站立在該環(huán)境中為標(biāo)準(zhǔn)的)。節(jié)點(diǎn)的這種設(shè)置方法實(shí)現(xiàn)了天花板和地板吸附作用的最小化，同時(shí)將實(shí)現(xiàn)在該場(chǎng)所中的行人或物體之間相互干擾的最小化。

定位引擎的精確性

　　為了確保定位引擎的室內(nèi)性能，在辦公環(huán)境中將采用具有 8 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)現(xiàn)有表面將參考節(jié)點(diǎn)置于辦公室的角落位置，如辦公桌椅表面或其它介于人的腰部和肩部之間的表面。在圖 2 中，8 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)分別用 A~H 8個(gè)字母來命名。

圖2 室內(nèi)辦公環(huán)境

　　在 6 個(gè)選定的位置采集定位估計(jì)值數(shù)據(jù)，每一位置的定位數(shù)據(jù)平均有 20 個(gè)讀取點(diǎn)。相關(guān)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)測(cè)試結(jié)果（所有數(shù)字的單位均為m）

　　在采集 8 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將6個(gè)新增的參考節(jié)點(diǎn)添加到系統(tǒng)中。接下來，在 4 個(gè)相同的位置，重新進(jìn)行定位估計(jì)測(cè)算，觀察這些新增的參考節(jié)點(diǎn)對(duì)定位估計(jì)值的影響。

　　14 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果如表 2 所示。

圖2 14個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)測(cè)試結(jié)果（所有數(shù)字的單位均為m）

　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍時(shí)，定位的精確性將明顯提高。而且，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置的參考節(jié)點(diǎn)增多時(shí)，定位的精確性也將會(huì)不斷提高。在本試驗(yàn)中，增設(shè) 6 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)后，4個(gè)位置的定位精確性都會(huì)有所提高，同時(shí)降低了各定位報(bào)告位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差(一致性)。

提高精確性

　　定位引擎采用來自附近參考節(jié)點(diǎn)的 RSSI 測(cè)量值來計(jì)算待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置。RSSI 將隨著天線設(shè)計(jì)、周圍環(huán)境以及包括若干其他因素在內(nèi)的其他附近 RF 源的變化而變化。定位引擎將數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息加以平均。增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，則可降低對(duì)各節(jié)點(diǎn)具體測(cè)試結(jié)果的依賴性，同時(shí)全面提高精確度。

　　無論在什么情況下設(shè)置參考節(jié)點(diǎn)，都會(huì)影響到定位的精確性，這主要是因?yàn)楫?dāng)參考節(jié)點(diǎn)設(shè)置在離相關(guān)表面很近的地方時(shí)，會(huì)產(chǎn)生天花板或地板的吸附作用。因此，應(yīng)盡量使用在各方位都具備相同發(fā)射能力的全向天線。

結(jié)語

　　定位引擎實(shí)現(xiàn)了 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)射頻的“房間式”精確性，而且功耗低，通信開銷也實(shí)現(xiàn)了最小化。另外，定位引擎技術(shù)還能運(yùn)用現(xiàn)有的 ZigBee 基礎(chǔ)設(shè)施來確定網(wǎng)絡(luò)中的位置。諸如此類的信息可由用于追蹤目的的中央數(shù)據(jù)采集點(diǎn)輕松獲取，用戶也可使用該定位引擎技術(shù)完成樓宇內(nèi)的導(dǎo)航工作。