孫聃石,楊 力,趙海山,王夢茹

(信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州，450001)

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基于ZigBee技術(shù)的商場定位系統(tǒng)建立

孫聃石,楊 力,趙海山,王夢茹

(信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州，450001)

ZigBee室內(nèi)定位系統(tǒng)利用優(yōu)化的參數(shù)化算法計(jì)算位置坐標(biāo)。由于信號傳輸距離影響定位精度，實(shí)驗(yàn)利用不同的定位網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方式來確定信號傳輸距離對定位精度的影響程度，從而找出最佳的布設(shè)方式。建立定位系統(tǒng)來滿足在商場中對人和物品的定位，進(jìn)而節(jié)約工程成本。

ZigBee；優(yōu)化；參數(shù)化算法；定位

智慧城市目前是一個(gè)受到人們廣泛關(guān)注的話題，而其中室內(nèi)定位導(dǎo)航作為智慧城市中不可或缺的一部分也吸引了許多人的目光。但是目前人們所常用的定位系統(tǒng)為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)，由于在室內(nèi)一般無法接收到衛(wèi)星信號，所以對于室內(nèi)的位置信息服務(wù)并不采用GNSS。ZigBee室內(nèi)定位技術(shù)是一種新型的技術(shù)，它具有低能耗、低成本、高安全性、高可靠性、短延時(shí)等特點(diǎn)[1]，這些特點(diǎn)適合工程應(yīng)用。

鑒于ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，本文提出了利用ZigBee室內(nèi)定位技術(shù)和優(yōu)化的參數(shù)化定位算法建立具有較高定位精度的商場定位系統(tǒng)。目前常用的定位算法可分為基于測距的定位算法、無需測距的定位算法和基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心定位算法[2]。而在實(shí)際應(yīng)用中，基于測距的定位算法要求的定位環(huán)境較為理想，不適合于人流較大的公共場所，無需測距的定位算法其定位在精度上存在一定缺陷。本文采用基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心定位算法優(yōu)化的參數(shù)化定位算法。

1 優(yōu)化的參數(shù)化算法

由于傳輸距離對定位精度存在一定的影響，在優(yōu)化的參數(shù)化算法中距離與信號強(qiáng)度(RSSI)之間有經(jīng)驗(yàn)公式

(1)

式中:N為傳播常數(shù)；d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離;r為接收到的信號強(qiáng)度(RSSI);A為在1 m距離處的接收信號強(qiáng)度[1]。由式(1)可推出傳播距離d與已知的r,A,N參數(shù)之間所存在的關(guān)系為

(2)

(3)

(4)

到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)p的解

(5)

圖1 定位原理圖

2 定位系統(tǒng)的組成和定位網(wǎng)絡(luò)布設(shè)

2.1 定位系統(tǒng)的組成

ZigBee無線傳感器定位的網(wǎng)絡(luò)中存在3種類型的節(jié)點(diǎn)，擁有不同的功能，其分別為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(待定位節(jié)點(diǎn))、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)和參考節(jié)點(diǎn)[3-5]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)的任務(wù)主要是實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和搭建網(wǎng)絡(luò)，選擇CC2430芯片，其主要功能首先要回應(yīng)電腦(上位機(jī))發(fā)出的請求，開啟無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，等待其他點(diǎn)入網(wǎng)；同時(shí)還接收參考節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將其傳送給上位機(jī)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也擁有參考節(jié)點(diǎn)的功能。系統(tǒng)中的參考節(jié)點(diǎn)是一些靜止的、確定所在位置坐標(biāo)的固定節(jié)點(diǎn)[6-8]；同時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)還具有路由的功能[9]，參考節(jié)點(diǎn)同樣選擇CC2430芯片。在參考節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(即待定位節(jié)點(diǎn))可任意移動(dòng)，定位功能的實(shí)現(xiàn)就是獲得參考節(jié)點(diǎn)的位置信息，其主要任務(wù)是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)提供RSSI值的平均值并取最大值發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，上傳給上位機(jī)監(jiān)測軟件處理。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所使用的是CC2431芯片，整個(gè)定位系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.2 定位網(wǎng)絡(luò)布設(shè)

ZigBee室內(nèi)定位模塊的信號傳輸距離為64 m[10]，然而復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境多路徑效應(yīng)嚴(yán)重，且環(huán)境易于改變。尤其是像商場這樣的擁有較為復(fù)雜內(nèi)部環(huán)境的公共場所，不會(huì)存在較長的直線通道，所以基于現(xiàn)實(shí)環(huán)境考慮，參考節(jié)點(diǎn)之間的距離可以設(shè)置為20 m或是10 m。通過定位算法可知，定位網(wǎng)絡(luò)必須由3個(gè)或以上參考節(jié)點(diǎn)形成后方交匯來完成定位。其布設(shè)的方式可以分為如圖3所示，旨在確定參考節(jié)點(diǎn)相距不同距離時(shí)，定位所帶來的誤差。

圖2 定位流程

圖3 不同間距參考節(jié)點(diǎn)布設(shè)

由于定位網(wǎng)絡(luò)需要3個(gè)或以上節(jié)點(diǎn)，在布設(shè)時(shí)為了節(jié)約成本，可以將3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)形成的定位網(wǎng)絡(luò)與之前4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)所形成的定位網(wǎng)絡(luò)(見圖4)

所得到的定位結(jié)果進(jìn)行對比，通過分析選取最終的布設(shè)方法。

圖4 不同方式參考節(jié)點(diǎn)布設(shè)

3 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)首先按照圖3的方式將參考節(jié)點(diǎn)布設(shè)在長44 m寬為3 m經(jīng)常有人通過的走廊內(nèi)，其室內(nèi)定位環(huán)境如圖5所示。為了使信號不受到遮擋，將參考節(jié)點(diǎn)布設(shè)在距離地面高為2 m的位置以減少信號遮擋。

圖5 定位環(huán)境

在定位網(wǎng)絡(luò)覆蓋的走廊內(nèi)選取3個(gè)坐標(biāo)已知的點(diǎn)，讓待定位標(biāo)簽進(jìn)入定位網(wǎng)絡(luò)時(shí)通過3個(gè)坐標(biāo)已知的點(diǎn)，記下定位坐標(biāo)，并與已知坐標(biāo)對比,定位結(jié)果如表1、表2和圖6所示。

表1 定位結(jié)果(參考節(jié)點(diǎn)間距20 m)

表2 定位結(jié)果(參考節(jié)點(diǎn)間距10 m)

圖6 定位結(jié)果對比(不同間距參考節(jié)點(diǎn)布設(shè))

通過兩種布設(shè)方式所得到的定位結(jié)果與已知坐標(biāo)對比可知，在人流量較大的走廊內(nèi)，相鄰參考標(biāo)簽間距為20 m時(shí)，所測得的3個(gè)點(diǎn)的平均定位誤差較大，達(dá)到3 m左右，且定位不穩(wěn)定。而相鄰參考節(jié)點(diǎn)的距離為10 m時(shí)，所測得的3個(gè)點(diǎn)的平均定位誤差為1.7 m，定位較為穩(wěn)定。從而可知，在公共人流較大的公共場所內(nèi)，ZigBee室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)應(yīng)選擇參考標(biāo)簽間距為10 m左右的方式。利用相同的方法來比較圖4中兩種布設(shè)方式所得到的定位結(jié)果，通過實(shí)驗(yàn)得到其定位結(jié)果如表3所示。

表3 定位結(jié)果(參考節(jié)點(diǎn)間距10 m，錯(cuò)開布設(shè))

實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果通過圖7可明顯得出，當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布設(shè)時(shí)，1、3兩點(diǎn)所在的定位網(wǎng)絡(luò)只由3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)構(gòu)成時(shí)，算法上雖然可以完成計(jì)算，但是定位精度較低，且不穩(wěn)定，無法滿足工程上的需求。因此,采用間距為10 m，在局域采用4個(gè)或以上的參考節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的定位網(wǎng)絡(luò)對待定位節(jié)點(diǎn)定位，滿足需求。

圖7 定位誤差對比(不同方式參考節(jié)點(diǎn)布設(shè))

4 結(jié)束語

ZigBee室內(nèi)定位技術(shù)所出現(xiàn)的時(shí)間并不長，但是由于其獨(dú)有的特點(diǎn)使得應(yīng)用較為廣泛，實(shí)驗(yàn)采用優(yōu)化的參數(shù)化定位算法對待定位標(biāo)簽進(jìn)行定位，通過對不同間距以及不同數(shù)量的參考標(biāo)簽所構(gòu)成的定位網(wǎng)絡(luò)所得到的定位結(jié)果進(jìn)行對比，確定了在公共場所內(nèi)ZigBee定位系統(tǒng)的最優(yōu)建立方式，具有實(shí)際意義。該系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于商場內(nèi)的定位，同時(shí)還能應(yīng)用于井下人員定位，辦公樓的人員監(jiān)測，監(jiān)獄的人員定位等。

[1] 萬群,郭賢生,陳章鑫.室內(nèi)定位理論、方法和應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[2] 王楠,王鍇,王小波.基于ZigBee的礦井定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)及精度分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014(6)：62.

[3] 彭宇倩.基于ZigBee室內(nèi)定位的智能導(dǎo)游系統(tǒng)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2014.

[4] 何英. ZigBee定位技術(shù)及消防安全應(yīng)用[D].南昌：南昌大學(xué),2011.

[5] 申軍濤. 基于 RFID/ZigBee 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].保定：河北大學(xué),2014.

[6] 孫聃石,楊力.ZigBee定位技術(shù)在珍貴物品監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息,2015,38(7):191-192.

[7] 梁芳.基于ZigBee的監(jiān)區(qū)人員定位研究[D].太原：中北大學(xué),2014.

[8] 武越.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的研究[D].大連：大連海事大學(xué),2014.

[9] 饒志訓(xùn).基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué),2014.

[10] 劉艷,吳蒙.基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2014,24(4):181-185.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

A shopping mall positioning system based on ZigBee technology

SUN Danshi，YANG Li，ZHAO Haishan,WANG Mengru

(School of Navigation and Aerospace Engineering, Information Engineering Univercity,Zhengzhou 450001，China)

ZigBee indoor positioning system uses the optimized parameters of the algorithm to calculate the position coordinates. Because the signal transmission distance influences the positioning accuracy, experiments are made with different ways of locating network layout to determine a signal transmission distance which can influence the positioning accuracy, and to find the best layout mode. The positioning system is proposed to be in shopping malls to locate people and goods, thus saving engineering costs.

ZigBee; optimization; parametric algorithm; positiong

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.02.011

2015-12-25

孫聃石(1990-)，男，碩士.

TP302

A

1006-7949(2017)02-0048-04

引用著錄：孫聃石,楊力,趙海山，等.基于ZigBee技術(shù)的商場定位系統(tǒng)建立[J].測繪工程，2017，26(2)：48-51.