1 引言
随着数据和多媒体业务的快速增加,人们对定位与导航的需求日益增大,尤其在复杂的室内环境,常常需要确定移动终端、设施与物品在室内的位置。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,它最显著的特点是低功耗和低成本。利用ZigBee技术实现定位具有低成本、低功耗且信号不受视距影响的优点[1]。
2 定位系统的组成
ZigBee无线定位系统由定位监控中心和ZigBee无线定位网络组成。定位监控中心主要是指装有实时定位监控软件的PC机(上位机),它通过RS232接口与ZigBee无线定位网络的基站(协调器)连接,它主要作用是给用户提供一个查看、管理和配置无线传感器网络的接口,用户可以通过它直接配置相关网络节点信息,也可以把网络节点的实时位置信息以图形化的方式展示给用户。ZigBee无线定位系统由三种类型的节点组成,分别是ZigBee协调器(基站)、参考节点、盲节点,参考节点是已知自己位置坐标(X,Y)或由上位机配置好的静态节点,盲节点不知自己的位置坐标,盲节点通过临近参考节点的坐标、RSSI等值根据定位算法计算出自己的坐标,并通过基站,最后传送到上位机,并在监控软件中显示出来。
3 定位的原理
无线传感器网络定位指的是盲节点的定位。无线传感器定位的机制很多,但基于距离的定位机制在实际中的应用较多,其思想都是借助参考节点的位置信息和其它一些参数信息,精确计算出要实现定位的盲节点和若干个参考节点之间的距离,这个阶段称为测距阶段;再利用数学上的一些原理和公式,通过盲节点和若干个参考节点的间距计算出盲节点的坐标,这个阶段称为定位阶段;最后盲节点将自己的位置信息通过协调器发送给远程用户并在电脑屏幕上显示出来。从而实现远程用户对无线传感器定位网络中盲节点的定位。
在测距阶段主要用到的技术有:接受信号强度指示(RSSI,received signal strength indicator),到达时间(TOA, time of arrival),到达时间差(TDOA, time difference of arrival)和到达角度(AOA, angle of arrival)。
在定位阶段主要用到的计算节点坐标的方法主要有三角测量法(Triangulation)、三边测量法(Trilateration)和极大似然估计法(Max Likelihood Estimation)[3]。
4 RSSI定位技术介绍
RSSI(Received Signal Strength Indicator)是指节点接收到的无线信号强度大小。在基于接收信号强度指示RSSI的定位中,已知发射节点的发射信号强度,接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗,利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离,再利用已有的算法(如:三角定位算法等)计算出节点的位置[2]。该技术硬件要求较低、算法相对简单,并且一些通信协议中已携带有RSSI的信息,这样使得基于RSSI定位算法具有广泛的应用前景。该技术在实验室环境中表现出良好特性,但由于环境因素变化的原因,在实际应用中往往还需要改进。
在理想空间中,也即不考虑实际环境对信号传播的影响,比如说多径效应,天气影响,建筑物影响,我们利用该算法计算动态节点和静态节点间距离的话,可以根据下边的公式把接收到的信号强度进行计算处理转化为所需要的参数。
信号强度和距离的关系可有公式给出[4]:
式中:
发射功率;
发射天线增益; 
接受天线增益; 
信号波长; 
传播距离;
但是在实际应用中,信道环境的影响,根据接收到的信号强度估计的距离会有一定的偏差。定位精度要求我们必须要考虑环境等外界因素的影响,选取合适的无线信道模型。无线信道的传播模型有很多种。总地来说,RSSI定位并不需要增加更多的硬件设备投入,只需要更为合理地选择无线信道传播模型就可以更一步准确地计算所需要的距离参数,同时通过一定的算法可使定位结果达到一定的精度。
在上式中,
是是距离动态节点
处的参考信息强度,
是信号在信道传播过程中的衰落因数与具体的环境有关。经过实际情况的验证和经验积累,
是由障碍物引起的正态分布的随机变量。如表1所示,路径衰减指数的典型值。
根据公式1,依据接受到的信号强度,我们可以计算出静态节点和动态节点间距最大似然估计:
5 定位系统的硬件设计
定为节点的硬件电路设计包括两部分:无线通信模块设计和辅助功能模块设计。无线通信模块为节点间的无线数据收发接口,它是节点核心部分。辅助功能模块完成定位状态指示、供电、串口通信的辅助功能,它通过RS232串口转换电路实现PC机和协调器节点间的数据传输。
6 定位节点软件设计
无线传感器定位网络中存在3种功能类型的节点,分别为网关(协调器)、参考节点(路由器)和盲节点(终端)。网关在整个系统中有着至关重要的作用,首先它要接收上位机发出的命令,开启网络,等待其他类型节点入网,其次还要接收各节点反馈的有效数据并传输给上位机软件处理。参考节点是一类静止的已知自身位置的节点,它的任务是接收带RSSI(Received Signal Strength Indicator)值的信息包并计算RSSI平均值,最终在盲节点打包各RSSI平均值后,将其发送给网关,传回上位机监控软件处理。盲节点是一类可移动的节点,可在参考节点包围的区域内任意移动。盲节点向周围空间广播RSSI簇,并接收一跳范围内的参考节点平均RSSI值,打包收到的各平均RSSI值后,无线发送给协调器节点。图3为整体传感器网络定位通信流程。考虑到网关节点除了组网和串口通信功能外,它可以作为参考节点使用,故只需要编写两种节点程序即可各类节点工作流程如图4所示。
7 定位系统和定位算法的目标要求
在无线传感器网络中,传感器节点通信距离有限、能源有限,而且节点布置具有随机性且规模较大,这样就对定位系统和算法提出较高的要求,以实现良好的定位效果。
无线传感器网络的定位系统和定位算法需要具备以下特点:
1.自组织性:无线传感器网络的节点随机布置,经常需要调动位置重新安装,节点需要根据网络覆盖情况自行加入或退出网络,所以不能依靠全局的基础设施协助定位。
2.鲁棒性:传感器节点的能量有限、配置低、可靠性差,测量相关数据时会差生误差,定位系统和算法必须具有较好的容错性和自适应性。
3.节能性:要尽可能的减少系统不必要的通信开销,减少算法中计算的复杂性,以减少节点间的通信开销,延长网络的生存周期。
4.分布式计算:每个节点计算自身位置,不能将所有信息传送到某个节点或是上位机进行集中计算。
8 上位机功能及其实现
无线传感器定位系统上位机监控软件中,与定位相关的功能主要包括2大类:定位工程管理和定位信息处理。定位工程管理完成加载定位区域示意图和配置参考节点坐标信息功能。定位信息处理完成参数采集、数据处理功能。具体来说,定位工程管理需要包括以下3方面:1)加载定位区域平面图,用户为特定定位场景自行选择bmp、jpg、gif等格式的定位区域示意图;2)配置参考节点信息,用户自行配置参考节点并在工程中设置参考点号,在定位区域示意图中标示参考节点位置;3)保存和修改工程,随时保存和修改工程信息。而定位信息处理包括2个方面:1)提供PC和协调器间接口,通常使用串口与协调器进行通信,PC机向下发送命令信息,协调器向上读取数据。2)区域定位,根据从参考节点读出的信息进行定位并显示和保存定位结果。
基于Zigbee的无线传感器网络定位系统具有低成本、低功耗的优点,本文介绍了基于RSSI的Zigbee无线传感器定位系统的组成、原理以及系统硬件和软件的设计。该定位系统硬件要求低,算法相对简单。
参考文献:
[1] 李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
[2] 宋保业.CC2431的无线定位引擎及其应用改进[J].单片机与嵌入式系统应用,2008(2):22-24.
[3] Shahin Farahani.Newnes ZigBee Wireless Network and Transceivers[J],2008,4:225-245.
[4] A True System -on-Chip solution for 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee CC2430[OL].http://www.chipcon.com.
作者简介:曹广华（1964－），男，博士研究生，教授,研究方向：高分辨率数据采集系统的研究、智能化仪器系统与传感器接触的研究。