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        基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

        2011-05-14 11:58:52顏兵兵鄭大帥張連軍王躍輝
        關(guān)鍵詞:信號(hào)強(qiáng)度無(wú)線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)

        顏兵兵,鄭大帥,張連軍,王躍輝

        (佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯154007)

        IT產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的普及、家電的智能化和單片機(jī)強(qiáng)有力的功能拓展,使得數(shù)字家庭、無(wú)線定位、無(wú)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(wú)線通信技術(shù)的成熟與發(fā)展促進(jìn)了新興無(wú)線業(yè)務(wù)的出現(xiàn),越來(lái)越多的應(yīng)用都需要定位服務(wù)。為解決自動(dòng)定位的問(wèn)題,基于衛(wèi)星通信的全球定位系統(tǒng)(GPS)應(yīng)運(yùn)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(shí)際問(wèn)題;但當(dāng)需要定位的物體位于建筑物內(nèi)部時(shí),其定位精度會(huì)明顯下降。因此,必須研究新的定位技術(shù)以彌補(bǔ)GPS的不足。迄今為止,常見(jiàn)的室內(nèi)定位技術(shù)有紅外技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)、超聲波技術(shù)和RFID技術(shù)。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(luò)構(gòu)建成本以及工作原理上各有不同。但就其針對(duì)移動(dòng)物體的室內(nèi)定位技術(shù)而言,可分為基于移動(dòng)設(shè)備的方法和基于網(wǎng)絡(luò)的方法。前者主要由移動(dòng)設(shè)備根據(jù)當(dāng)前和以前與其通信的參考基站信息,計(jì)算出自身的位置,其最典型的應(yīng)用是GPS;而后者則是網(wǎng)絡(luò)根據(jù)其參考基站和移動(dòng)設(shè)備通信的信息(時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度等),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算出移動(dòng)設(shè)備的位置實(shí)現(xiàn)定位。

        無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是利用無(wú)線電射頻RF(Radio Frequency)或紅外線IR(Infrared)等無(wú)線傳輸媒體與技術(shù)構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)用戶信息隨身化的理想需求。目前短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括ZigBee、無(wú)線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、藍(lán)牙(Bluetooth)、超寬帶(UWB)和近距離無(wú)線傳輸(NFC),已成為業(yè)界談?wù)摰臒狳c(diǎn)[5]。與其他技術(shù)相比,ZigBee技術(shù)填補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺,其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用,而不是技術(shù)本身。因此,本文基于ZigBee技術(shù)和嵌入式技術(shù),以構(gòu)建簡(jiǎn)單、定位精度高為目的,構(gòu)建室內(nèi)定位試驗(yàn)平臺(tái)。

        1 硬件設(shè)計(jì)與定位算法

        1.1 硬件設(shè)計(jì)

        室內(nèi)定位試驗(yàn)平臺(tái)主要由ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(luò)中各節(jié)點(diǎn)的交互。典型的控制單元是PC機(jī)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(shí)際應(yīng)用中尚需外部搭接射頻模塊。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),包括1個(gè)網(wǎng)關(guān)(作用相當(dāng)于ZigBee的協(xié)調(diào)器,負(fù)責(zé)整個(gè)定位無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、協(xié)調(diào),以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢查等)、3個(gè)以上的參考節(jié)點(diǎn)(為已知位置的節(jié)點(diǎn),并且其物理位置固定不變)和1個(gè)定位節(jié)點(diǎn)(其位置隨時(shí)變化,由CC2431硬件定位引擎通過(guò)接收參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值經(jīng)過(guò)固有定位算法計(jì)算而得)。

        網(wǎng)關(guān)和參考節(jié)點(diǎn)均采用TI公司的射頻芯片CC2430,定位節(jié)點(diǎn)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(dòng)小車采用履帶式兩輪驅(qū)動(dòng)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(luò)節(jié)點(diǎn)(參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān))之間采用無(wú)線傳輸方式,網(wǎng)關(guān)與控制器之間采用串口通信方式。裝備有網(wǎng)關(guān)和定位節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)小車如圖2所示。

        1.2 定位算法

        接收到參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度后,定位節(jié)點(diǎn)獨(dú)自計(jì)算所得信號(hào)的傳播損耗,基于理論與經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛯⑵滢D(zhuǎn)化為有效距離,最后利用已有算法得到定位節(jié)點(diǎn)的具體位置。接收信號(hào)強(qiáng)度理論值為:

        式中,d為到發(fā)射器之間的距離;n為信號(hào)傳播常量;A為在1 m處接收到信號(hào)的強(qiáng)度。可以看出,信號(hào)強(qiáng)度與到發(fā)射器之間的距離成對(duì)數(shù)衰減的關(guān)系,定位節(jié)點(diǎn)與發(fā)射器之間的距離越近,由信號(hào)強(qiáng)度偏差產(chǎn)生的絕對(duì)距離誤差就越小。當(dāng)該距離達(dá)到某一數(shù)值后,由RSSI波動(dòng)所造成的絕對(duì)距離誤差將會(huì)很大。在實(shí)際應(yīng)用中,定位節(jié)點(diǎn)會(huì)采用RSSI值較大的前幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算,以避免定位誤差的擴(kuò)大。該技術(shù)硬件要求較低,算法相對(duì)簡(jiǎn)單,但由于環(huán)境因素變化的影響,在實(shí)際應(yīng)用中往往需要改進(jìn)。與常見(jiàn)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(shí)間等優(yōu)點(diǎn),采用分布式計(jì)算方法以避免集中計(jì)算方法造成的網(wǎng)絡(luò)傳輸與通信延遲的問(wèn)題。

        1.3 軟件系統(tǒng)

        基于Ubuntu系統(tǒng)(內(nèi)核為L(zhǎng)inux2.6版本),在跨平臺(tái)應(yīng)用程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Qt Creator中編寫無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)過(guò)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(hào)/槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞,具體操作流程如圖3所示。此方法可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)小車在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中初始位置的隨意設(shè)定,且不影響定位精度。

        圖3 串口數(shù)據(jù)處理與運(yùn)動(dòng)控制流程

        2 試驗(yàn)研究

        將ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)(CC2430)按照一定規(guī)則分布于12 m×12 m的室內(nèi)空間,網(wǎng)關(guān)及定位節(jié)點(diǎn)安裝在移動(dòng)小車上。移動(dòng)小車采用履帶式兩輪驅(qū)動(dòng)底盤,控制器為S3C2410處理器,通過(guò)串口方式與ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)相連接。將移動(dòng)小車放置于8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)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(guān)成功啟動(dòng)后,分別啟動(dòng)各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)以及定位節(jié)點(diǎn),在車載液晶屏上人工設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)。目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置完成后,啟動(dòng)自動(dòng)定位功能程序,移動(dòng)小車將根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的定位算法行走,直至目標(biāo)點(diǎn)停止運(yùn)動(dòng)。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了8組試驗(yàn),結(jié)果如表1所示。以歐幾米德距離來(lái)衡量定位誤差,經(jīng)數(shù)據(jù)分析可以看出,小車能實(shí)現(xiàn)在未知車頭前進(jìn)方向的情況下尋找自己前進(jìn)的方向向量,并且能夠在行走誤差范圍內(nèi)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn),定位誤差約1.25 m,基本實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee的室內(nèi)定位并尋找目標(biāo)點(diǎn)的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

        表1 移動(dòng)小車尋找目的坐標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        鑒于CC2431硬件定位引擎只能在64 m×64 m范圍進(jìn)行定位計(jì)算,對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言,需要增設(shè)一個(gè)前處理軟件算法,最大范圍可達(dá)16 384 m。基本思路是:首先定位最大RSSI值的參考節(jié)點(diǎn)并計(jì)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(diǎn)并全部偏移d,再將所有數(shù)據(jù)送入硬件定位引擎計(jì)算結(jié)果,最后累加偏移量d,從而得到定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。而對(duì)于三維空間定位而言,可以用一個(gè)字節(jié)表示Z方向,最多可達(dá)256層。可以推斷出,來(lái)自于不同層面的節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度要比同一層中的信號(hào)強(qiáng)度要低,這就意味著需要更密集的參考節(jié)點(diǎn)布置于實(shí)際環(huán)境中。

        ZigBee技術(shù)是新興的無(wú)線通信技術(shù),網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大,使用方便、成本低、功耗低,應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越廣。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要,完成了室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與ARM嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合和具體實(shí)現(xiàn)。該定位系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和ARM嵌入式技術(shù),將這種低功耗、低成本的無(wú)線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用到了室內(nèi)定位系統(tǒng)中,拓寬了ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

        在實(shí)際的測(cè)試場(chǎng)所對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的要求,系統(tǒng)的定位精度可以滿足室內(nèi)人員等移動(dòng)目標(biāo)的定位應(yīng)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(shí)用價(jià)值。

        [1]WANT R,HOPPER A,F(xiàn)ALCAO V,et al.The active badge location system[J].ACM Transactions on Information systems,January 1992,40(1):91-102.

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        [5]李文仲,段朝玉.ZigBee2006無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

        [6]韋東山.嵌入式 Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)完全手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2008.

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