付軍安

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

盧涵宇

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059 貴州大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程系，貴州 貴陽 550003)

王合闖，王華軍

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

基于ZigBee的定位系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的探討

付軍安

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

盧涵宇

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059 貴州大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程系，貴州 貴陽 550003)

王合闖，王華軍

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

為了解定位系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)對定位精度的影響，對定位原理進(jìn)行了研究，具體分析了室內(nèi)定位系統(tǒng)的A、N值。測試試驗(yàn)表明，當(dāng)A值取39、N值取27時(shí)，室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度在1～2m之內(nèi)，定位效果比較理想。

ZigBee；CC2431；定位系統(tǒng)； RSSI

ZigBee無線通信技術(shù)具有定位精度高、成本較低等特點(diǎn)，以該技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的各種定位系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景。通過對室內(nèi)定位通信技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)應(yīng)用于小型的室內(nèi)環(huán)境定位效果良好，定位精度相對較高，相關(guān)的研究方法和結(jié)論可以為開發(fā)大型的定位系統(tǒng)如地下礦井人員定位系統(tǒng)提供決策性依據(jù)[1-4]。目前，很多定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是基于算法的改進(jìn)和硬件的更新，忽視了具體環(huán)境的影響。為此，筆者對基于ZigBee的定位系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了探討。

1 ZigBee無線通信技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5]。ZigBee工作在國際免授權(quán)的2.4GHz頻段上，具有250kbps 的最高數(shù)據(jù)傳輸率。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在3種邏輯設(shè)備類型，即協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器以及多個(gè)路由器和終端設(shè)備組成。

1.1ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，IEEE 802.15.4是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，但其僅能處理低級(jí)物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)。因此，Zigbee聯(lián)盟擴(kuò)展了IEEE，對其網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(API)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

1.2ZigBee的特點(diǎn)

ZigBee的特點(diǎn)具體表現(xiàn)在如下幾方面：①研發(fā)成本低。通過大幅簡化協(xié)議降低了對通信控制器的要求。②功耗低。低耗電待機(jī)模式下非常節(jié)電。③容量高。采用星狀、網(wǎng)狀等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層層管理。④通信時(shí)延短。時(shí)延都在15～30ms之間。⑤可靠性高。3級(jí)安全模式確定其安全屬性。

2 室內(nèi)定位系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的研究

2.1定位原理

CC2431是一個(gè)ZigBee片上系統(tǒng)，其滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz(該頻段免費(fèi)) ISM(Industrial Scientific Medical，工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué))頻段應(yīng)用及對低成本、低功耗的要求。在常用的定位算法中，定位節(jié)點(diǎn)(終端設(shè)備)選用CC2431，參考節(jié)點(diǎn)(路由器)和網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器)都選用CC2430，CC2430和CC2431內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)相似，CC2430只比CC2431少一個(gè)定位引擎[1]。

圖1 節(jié)點(diǎn)在上位機(jī)中的分布

Signal Strength Indicator簡稱RSSI)，RSSI的值隨著距離的增加而減小。在CC2431組成的無線定位網(wǎng)絡(luò)中，包括參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)3部分。網(wǎng)關(guān)的作用相當(dāng)于ZigBee的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)整個(gè)定位無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、協(xié)調(diào)。參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)安置在已知位置的動(dòng)態(tài)結(jié)點(diǎn)，其物理位置是固定不變的。定位節(jié)點(diǎn)是一個(gè)由CC2431構(gòu)成的結(jié)點(diǎn)，其位置可以隨時(shí)變化，具體位置由CC2431的定位引擎通過接受參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值經(jīng)過定位算法計(jì)算而得到。在CC2431定位引擎定位操作過程中，定位節(jié)點(diǎn)會(huì)首先讀取距離自己最近的8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(X、Y)值，然后再讀取其他標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，即A值和N值。A值為離發(fā)射節(jié)點(diǎn)(CC2430/CC2431)1m遠(yuǎn)的RSSI絕對值，N值為離發(fā)射節(jié)點(diǎn)每增加1m衰減的RSSI絕對值，A、N值會(huì)隨環(huán)境的變化而變化。將得到的定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)(X,Y)值發(fā)送給網(wǎng)關(guān)傳到后臺(tái)的上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件上，利用上位機(jī)軟件對位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。節(jié)點(diǎn)在上位機(jī)中的分布如圖1所示，其中深色點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，淺色點(diǎn)為定位節(jié)點(diǎn)。

2.2室內(nèi)定位系統(tǒng)A、N值分析

表1 相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

測試試驗(yàn)的運(yùn)行環(huán)境為IAR Embedded WorkBench(EW8051)集成開發(fā)環(huán)境 7.20H版本，包含Z-Stack v1.4.2協(xié)議棧、SmartRF Flash Programmer工具軟件和Genneral Packet Sniffer 協(xié)議分析軟件。首先選用TI公司的2Z-Location_Engine 上位機(jī)定位軟件，在測試區(qū)域?yàn)?4m×64m的操作區(qū)，選取5個(gè)參考節(jié)點(diǎn)和1個(gè)定位節(jié)點(diǎn)，根據(jù)需要調(diào)整參考節(jié)點(diǎn)擺放的位置，而擺放的位置發(fā)生變化時(shí)相應(yīng)的坐標(biāo)也應(yīng)隨之改變。改變A、N的值，定位精度會(huì)有所不同，經(jīng)過反復(fù)嘗試，得出A值取39、N值取27時(shí)，精度較高。試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，第5組和第9組數(shù)據(jù)中測試數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的X值相差過大，參考性不大。第4、7、8組測試數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的X值和Y值偏差都在1m之內(nèi)，效果比較理想。第2、3、6組的精度也比較高，其X值偏差都在1.6m以內(nèi)，Y值偏差也都在1m之內(nèi)。另外，第1組測試數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的X值偏差在1m以內(nèi)，Y值偏差超過了1m，而第10組測試數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的Y值偏差在1m之內(nèi)，X值偏差超過了3m，但對整體數(shù)據(jù)沒有太大的影響，仍可認(rèn)為是有效數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)A值取39、N值取27時(shí)，室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度在1～2m之內(nèi)，定位效果比較理想。

為了更好的探討相關(guān)的定位環(huán)境，筆者編寫了一個(gè)上位機(jī)軟件，該軟件的界面環(huán)境為模擬地下礦井。當(dāng)把參考節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)事先設(shè)定在地下礦井中的某個(gè)礦道兩側(cè)時(shí)，得出的定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)會(huì)顯示出來。通過模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A值取39、N值取27時(shí)， CC2431定位節(jié)點(diǎn)朝某個(gè)方向直線移動(dòng)時(shí)，監(jiān)控界面中的“礦工”在礦井通道里比較平穩(wěn)的移動(dòng)，路線并沒有出現(xiàn)太大的跳躍和波折(見圖2)，從而進(jìn)一步說明在室內(nèi)環(huán)境下，通過測試試驗(yàn)確定的A、N值是合理的。

圖2 上位機(jī)監(jiān)控界面

3 結(jié) 語

應(yīng)用ZigBee技術(shù)可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，以該技術(shù)為基礎(chǔ)的定位系統(tǒng)對環(huán)境的依賴性比較強(qiáng)，要提高定位精度，在總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響。通過測試試驗(yàn)，具體分析了室內(nèi)定位系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)A、N值。結(jié)果表明，當(dāng)A值取39、N值取27時(shí)，室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度在1～2m之內(nèi)，定位效果比較理想。另外，地下停車場和大型礦井井下人員的定位等可以該系統(tǒng)為參考，通過對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，也可以獲得更好的定位精度。

[1]耿曉立，邱選兵，魏計(jì)林.基于ZigBee技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的研究[J].太原科技，2008(1)：52-55.

[2]莊昆,孫喆.基于RFID 技術(shù)煤礦井下人員定位系統(tǒng)研究[J].山東煤炭科技,2009(4)：87-89.

[3]李偉, 崔建明.基于ZigBee和GIS 的井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2010(2)：67-69.

[4]龔江濤，陳金鷹，方根平.Zigbee技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2007,5：382-385.

[5]趙妍，岳炳良，高大偉.Zigbee 無線解決方案網(wǎng)絡(luò)層研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2007，15 (5)：689-691.

[6]陳真，汪小燕，王鈺.智能網(wǎng)絡(luò)關(guān)愛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2010，27(9):144-146.

[7]劉洋，楊潔明.基于CC2431 的井下人員定位方法研究[J].煤礦機(jī)械，2010，31(6):49-51.

[8]鐘新躍,謝完成.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù),2009，28(9):102-103.

[9]王春，華鋼，朱艾春，等.煤礦井下人員定位系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].煤礦安全，2010(8)：64-66.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.04.028

TP391

A

1673-1409(2011)04-0086-03