基于ZigBee的室內定位系統(tǒng)設計

　　引言

　　隨著數(shù)據(jù)業(yè)務和多媒體業(yè)務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內環(huán)境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場等環(huán)境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內的位置。但是受定位時間、定位精度以及室內復雜環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術目前還無法很好地利用。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它最顯著的特點是低功耗和低成本。利用ZigBee技術實現(xiàn)定位具有低成本、低功耗的優(yōu)點，且信號傳輸不受視距的影響。

1? 相關核心技術概述

1.1? ZigBee技術概述

　　ZigBee技術[1]是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)率、低復雜度的雙向無線通信技術，它是基于IEEE 802.15.4標準開發(fā)的無線協(xié)議。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE 802.15.4負責物理層和鏈路層標準。完整的ZigBee協(xié)議套件由應用層、應用架構層、網(wǎng)絡層以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層等組成，協(xié)議棧結構如圖1所示。

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圖1? ZigBee協(xié)議棧結構

　　ZigBee可使用的頻段有3個，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz 頻段以及美國的915 MHz 頻段，不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。中國采用2.4 GHz頻段，它是免申請和免使用費的頻段；采用直接序列擴頻技術DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，傳輸距離介于10~75 m（增加RF發(fā)射功率，可達500 m）；傳輸速率為20~250 kb/s，適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸。ZigBee技術具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)。

1.2? RSSI定位技術

　　RSSI[2]（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示）是指節(jié)點接收到的無線信號強度大小。在基于接收信號強度指示RSSI 的定位中,已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度,接收節(jié)點根據(jù)接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗,利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉化為距離,再利用已有的算法計算出節(jié)點的位置。該技術硬件要求較低、算法相對簡單,在實驗室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性;但由于環(huán)境因素變化的原因,在實際應用中往往還需要改進。接收信號強度是發(fā)射功率和發(fā)射器與接收器間距離的函數(shù)。

　　接收信號強度RSSI理論值可由式 (1)表示：

RSSI=-(10n·lgd+A)(1)

其中，n代表信號傳播常量，也叫傳播指數(shù)；d代表距發(fā)射器間的距離；A代表距離1 m時的接收信號強度。

　　信號的衰減與距離成對數(shù)衰減的關系。節(jié)點到信號源的距離越近, 由RSSI值的偏差產生的絕對距離誤差越小；而當距離大于某一值時,由RSSI波動造成的絕對距離誤差將會很大。一個未知節(jié)點可能收到n個參考節(jié)點的信號, 所以應當采用RSSI值大的前幾個參考節(jié)點進行定位計算，這樣可以避免定位誤差擴大。