ZigBee定位（精选8篇）
ZigBee定位 篇1
ZigBee是一种新兴的低成本、短距离、自配置、低速率以及低功耗的无线网络技术,具有比较完善的防碰撞机制、节点管理体系及电源功耗管理功能[1]。选用的无线收发芯片型号是A7105,A7105是一低成本2.4 GHz ISM频段的无线应用射频芯片。A7105 内建接收信号强度指示RSSI和ADC侦测使用电压。
在无线传感器网络中,传感器节点间的测距方法是一些基于测距的定位算法的基础。测量节点间距离或方位时常用的方法有基于到达时间(TOA)、基于到达时间差(TDOA)、基于到达角度(AOA)和基于接收信号强度指示(RSSI)的方法[2],本文采用基于RSSI的测距,因为此方法无须额外的硬件设备,是一种低功率、廉价的测距技术,但是因为无线信号受反射、多径传播、非视距传播等问题影响,使得相同距离产生不同的传播损耗,因此,为了获取更加准确的RSSI,先通过中值过滤器(先把RSSI数据排序,设定阈值,根据阈值来取值),再经过均值过滤器的方法,以去除那些偏差较大的RSSI,提高了RSSI的精度。在定位过程中,本文采用基于极大似然估计法加权取均值的定位优化算法,此种定位方法提高了定位的精度。
上位机利用LabVIEW软件开发,LabVIEW是一种图形化编程语言,采用工程技术人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程,具有界面友好、操作简便、操作周期短等特点[3]。本文上位机的作用是采集RSSI,实现算法及显示。
1 算法描述
1.1 RSSI测距原理及本文获取RSSI算法
1.1.1 RSSI测距原理
基于RSSI(接收信号强度)测距算法:在发射节点的发射功率确定的情况下,可以根据接收节点接收到的功率,利用理论和经验模型,得出能量损耗与距离的关系。
一般采用的RSSI测距原理如式(1)所示
式中:RSSI是接收信号强度;A为常数;d是收发节点之间的距离;n是信号传播因子。常数A和n的值决定了接收信号强度RSSI和传输距离d的关系。A和n的数值易受多种因素影响[4]。此种测距方法需确定A和n两个常数值,实现过程较复杂。
本文采用的RSSI测距原理:由于当发射节点设置不同的发射功率情况下,接收节点收到的RSSI与信号传输距离d的线性范围不一样,因此,在特定的环境中,可以通过改变发射节点的发射功率,来调节RSSI与信号传输距离呈线性关系的范围,根据接收节点接收到的不同距离处的RSSI,拟合出一个适用于此特定环境的函数表达式,可以将接收到的RSSI转化为距离[5]。
1.1.2 本文获取RSSI值算法
假设Mi(i=1,2,…,n)为未知节点,Nj(j=1,2,…,n)为固定节点,为固定节点Nj接收到未知节点Mi的RSSI,针对一个固定节点,一组采集十次,获取10个RSSIij,由小到大排序得到:RSSIij1,RSSIij2,…,RSSIij10,然后求得这组数据的中值mid(RSSIij),为了去除掉那些因环境因素影响严重的RSSI,在这里,取一个门限值β,令
取出落在mid(RSSIij±β)的RSSI,然后求出其均值,即为RSSIij值。
1.2 极大似然估计法定位算法[6]和本文定位优化算法
1.2.1 极大似然估计法定位算法
在无线传感器网络定位算法中,如果知道移动节点与参考节点之间距离个数不小于3个时,可使用极大似然估计法来定位。
极大似然法的原理如图1所示。假设1,2,3,…,n个参考节点的坐标分别为(xi,yi)(i=1,2,…,n),它们到移动节点的距离分别为di(i=1,2,…,n),设移动节点P的坐标为(x,y)。
可得到
依次从第一个方程减去第n个方程得到
则式(4)可以用线性方程AX=b表示,其中
使用最小均方差得节点P的坐标为
1.2.2 本文定位优化算法
假设有m(m≥4)个固定节点,令p=C
式中:k=1,2,…,p;wk愈小,说明第k个定位坐标值愈接近其余(p-1)个定位坐标值;反之,当wk愈大,说明第k个定位坐标值愈远离其余(p-1)个定位坐标值。因此,可以设置一个阈值W,若wk≤W,则保留相对应的定位坐标值Nk;反之,若wk>W,则删除掉相对应的定位坐标值Nk。
假设经过阈值判断,保留了q个坐标值。然后根据这q个坐标的权值,求出其均值,如式(10)所示
式中:坐标
2 利用LabVIEW软件开发的上位机
这部分主要完成数据采集、定位算法和定位结果显示界面。
2.1 程序流程
程序流程图如图2所示,先判断帧头正确之后,接收来自5个基站发送的数据,提取出RSSI。先利用生产者循环存RSSI,然后通过消费者循环读数据并存入数组,数组元素达到50个时,利用抽取数组子程序,得到各个基站发送的10个RSSI,然后,通过中值和均值过滤,获得RSSI,带入拟合公式,再利用本文定位优化算法求出定位坐标并显示。
2.2 前面板部分
前面板如图3所示,需配置基站的坐标值。
3 相关实验、实验结果及误差分析
3.1 相关实验
在实验阶段,首先为了保证试验模块的一致性,减少实验误差。采用的方法是在可视距离内,接收模块固定不变,别的被测模块在4个方向不同距离处,进行多次测量取均值,根据最终测得的RSSI来选择出具有一致性的试验模块。
其次,选择合适的DataRate,全向天线和读取一帧数据的时间等,经过实验测试,设置的DataRate是250 kbit/s,全向天线的增益是0 dBm,读取一帧数据的时间为20 μs。
当这些试验参数都确定的情况下,在室内可视范围内,使用那些具有一致性的无线模块,通过在1～6 m,间隔为0.5 m,每个位置取值10次,在不同发射功率的情况下,利用先排序、滤波再取均值的方法获得RSSI,通过MATLAB把RSSI与距离值进行拟合之后的图像如图4所示。
拟合的一次函数表达式如式(11)所示
定位实验部分:在室内,2 m高的平面内,布置了5个固定节点,5个固定节点的ID号及坐标分别为:01#(2.5,0);02#(0,1);03#(0,4);04#(2.5,5);05#(4.5,2.5),并且固定节点之间可视。
3.2 实验结果
实验结果见图5。
注:①方形表示实际坐标;菱形表示极大似然估计法坐标;星形表示本文算法坐标。
3.3 误差分析
设R为通信半径,经过实验测得R为70 m。误差的计算公式如式(12)所示
定位误差比较结果见表1。
4 结论
本文在获得RSSI时采用先排序、再滤波进而取均值的方法,抑制了那些因多径效应、反射而读到的错误数据,提高了获取RSSI的精度;在5个固定节点获得未知节点的RSSI之后,定位的方法采用了基于极大似然估计法加权取均值的定位优化算法,与极大似然估计算法相比较,提高了定位的精度。但仍然存在一些需要改进的地方,比如可以增加固定节点数目、调整更为理想的参数,使得获取RSSI的速度更快、更准确。另外,上位机部分也需要改进,这些都会在以后的研究中进一步完善。
摘要：基于ZigBee进行室内无线定位系统的开发已经成为热点,这是由于采用无线通信可以节省成本,使用也更加方便。但同时,基于接收信号强度指示(RSSI)的测距和定位易受多种因素的影响,使得测距和定位的误差都比较大。提出了针对室内小环境范围内的定位系统,提出了获取RSSI的方法(中值过滤和均值过滤)和定位的优化算法(基于极大似然估计法加权取均值的定位优化算法),通过两种方法的结合,提高了定位精度。同时,利用LabVIEW软件开发上位机。
关键词：室内无线定位,接收信号强度指示,图形化编程
参考文献
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[6]XU Riming.Study on RSSI-based indoor wireless location program[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2010.
ZigBee定位 篇2
关键词：Zigbee技术 CC2430/CC2431 RSSI
中图分类号：TD76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0018-01
近年来，矿井重大、特大事故时有发生，事发后制定救援方案，对井下遇险人员的准确定位是十分重要的。针对矿井下复杂的工作环境，基于Zigbee网络技术的井下人员无线定位系统具有十分重要的意义。Zigbee网络整个系统是由地面有线网络和井下全覆盖的无线传感器网络共同组成。井下巷道内布置有若干个无线信标，无线定位传感器被植入到矿井人员的矿帽内，无线信标通过对无线传感器实时信号的搜集和发射，且对矿井人员实时准确的定位，再由无线传感器网络将数据的信息实时的传送至地面的计算机，地面计算机可直接收数据，并对数据进行存储、计算和分析，这样就可对井下人员进行实时的监测。该文就Zigbee网络对矿井人员定位的硬件系统进行研究，该系统主要由井下无线传感器网络和地面监控计算机两大部分构成。
1 井下硬件结构
井下硬件结构采用的是Zigbee网络定位系统，它分别由移动定位终端、基准定位器、定位分站和矿用光纤等四部分组成。
移动定位终端由zigBee网络中数量庞大的RFD构成。移动定位终端定时发送数据包给无线网络，并将查询的数据发送给监控中心。
基准定位器使用普通或功率增强型Zigbee模块，定位基准器相当于Zigbee网络中路由器，为全功能设备（FFD），和井下人员携带的移动定位终端进行联络，且根据提供信息的数据，再由RSSI计算出移动定位终端数据，并将数据传送给定位分站。
定位分站作为一个Zigbee网络的协调器，其总节点是由网络数据传输构成，也是有线网络和无线网络的接口，且负责Zigbee网络的创建、维护及管理。
光纤传输子系统采用光纤以太网。光纤传输具有频率特性好、频带宽、衰减小、抗电磁干扰能力强等特点，无需中继补偿，信号传输的可靠性和质量都得到了提高。
2 井下硬件设计
2.1 Zigbee的选择
该定位跟踪系统是基于网络平台构建起来的，移动节点定位通过CC2431内部集成的硬件定位引擎而实现，该芯片具有低功耗、抗干扰能力强等特点，适应于井下短距离的无线网络。为了能降低成本，其中网关及参考节点的主控芯片选用CC2430，移动节点选用CC2431，两款芯片的主要的差别就是CC2431有跟踪定位引擎，而CC2430没有跟踪定位引擎。
2.2 CC2430/CC2431定位引擎设计
定位引擎基于RSSI技术，且它由定位节点、路由节点和接入节点等组成。如图1所示，分别对B1、B2和B3的定位节点路由路径加以说明；其中路由节点、接入节点和定位节点分别由A、甲、乙、B代表。从图中不难看出B1处于A2和A3两个节点的检测的范围内，因为B1被障碍物阻挡，只能与A2联络，而不能与A3联络，从图1中可看出其路由路径为：
B1--A2--A1--甲--以太网
B3同时处于A3和A4两个节点的检测范围之内，因为B3被障碍物阻挡，只能与A4正常联络，而不能与A3联络，因此可看出其路由路径为：
B3--A4--A5--乙--以太網
B2同时处于A3和A4两个节点的检测范围之内，由于B2没有被任何障碍物所阻挡，因此它能同时和A3、A4同时联络，路由路径为：
B2--A4--A5--乙--以太网
B2--A3--A2--A1--甲--以太网
由此可得，CC2431硬件定位引擎不需占用处理器的时间，只需写入参考节点坐标和测量参数，就能快速度、高精度处理数据，并计算出移动节点坐标参数，实现定位追踪。
3 井上硬件结构与设计
井口建立井端服务器，汇接井下采集的现场数据，地面监控计算机负责数据的分析、处理、汇总和统计，并接入Internet网，结合使用以Ethernet（IEEE802.3）有线网络和Zigbee无线网络，通过以太网关将无线信息传送转变为有线信息的传送。
4 结语
该文提出了一种基于Zigbee技术的井下人员无线定位系统硬件系统的设计，为矿井事故抢救人员安全和财产安全争取宝贵有限的时间，很大程度上提高了矿井下救援的效率。
参考文献
[1]郭栋，秦明芝，王伟敏.基于cc2430的Zigbee无线感器网络设计与实现[J].物 联网技术，2011（1），40-42.
[2]CC2430 datasheet，Chipcon Products from Texas Instruments[S].
[3]黄旭慧.基于Zigbee技术的煤矿井下人员定位系统研究与应用[D].南昌：南昌大学，2007.
ZigBee无线定位技术的优化 篇3
1 Zig Bee及CC2431定位引擎
1.1 zig Bee简介
Zig Bee[2]是一种新兴的无线网络技术[2], 它是一个由许多节点群体协作的无线网络, 具有很强的自适应能力, 当其中某个节点失效时不会影响网络的正常运作。该技术基于IEEE802.15.4无线标准, 在若干个传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗, 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器, 因此它们的通信效率非常高。
Zig Bee技术具有以下主要特点[3]:数据传输速率低, 只有10~250Kb/s, 专注于低传输应用。功耗低, 在低耗电待机模式下, 两节普通干电池可使用6个月到2年。成本低, 因为Zig Bee数据传输速率低, 协议简单, 所以大大降低了成本, 且Zig Bee协议免收专利费。网络容量大, 每个Zig Bee网络最多可支持255个设备, 也就是说, 每个Zig Bee设备可以与另外254台设备相连接。优良的网络拓扑能力, Zig Bee具有星、树和丛网络结构能力。Zig Bee设备实际上具有无线网路自愈能力, 能简单覆盖广阔范围。工作频段灵活, 使用的频段分别为2.4GHz (全球) 、868MHz (欧洲) 及915 MHz (美国) , 均为免执照频段。
Zig Bee技术因其自身的优势, 广泛应用于物联网智能家庭中, 主要有以下应用:
(1) 温度、湿度、亮度的智能控制;
(2) 老年人与行动不便者的紧急呼叫器;
(3) 万用遥控器, 无线键盘、滑鼠;
(4) 烟雾、可燃气体、入侵监测;
(5) 智慧型标签;
(6) 室内物品定位。
1.2 CC2430/CC2431简介
CC2430/CC2431[5]是一颗真正的系统芯片 (SOC) CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以Zig Bee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本, 低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS (直接序列扩频) 射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。基中CC2431是由CC2430加上Motorola的基于IEEE802.15.4标准的无线电定位引擎组成,
CC2430与CC2431唯一不同的是CC2431芯片带有定位引擎, 能在接收到参考节点的RSSI值和已知参考节点坐标的情况下, 求出自己的坐标。
◆高性能和低功耗的8051微控制器核。
◆集成符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机。
◆优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。
◆在休眠模式时仅0.9衅的流耗, 外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.6µA的流耗, 外部的中断能唤醒系统。
◆硬件支持CSMA/CA功能。
◆较宽的电压范围 (2.0~3.6V) 。
◆数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。
◆具有电池监测和温度感测功能。
◆集成了14位模数转换的ADC。
◆集成AES安全协处理器。
◆带有2个强大的支持几组协议的USART, 以及1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器, 1个常规的16位计时器和2个8位计时器。
◆强大和灵活的开发工具。
2 系统构架及定位原理
2.1 系统基本构架
无线传感器网络定位系统[5]包括盲节点、锚节点、网关板以及上位机四大部分。网关板具备串口模块, 负责整个网络的调度以及通过串口与上位机通信。锚节点实现整个节点的网络链接、上报数据和转发数据等功能;盲节点实现信息广播并接收信息处理数据信息等功能;上位机负责最终数据处理和显示等工作。整个系统结构如图所示:
系统各部分的具体功能如下:
2.1.1 锚节点功能
(1) 建立和维护整个Zig Bee无线传感网络;
(2) 接收上位机的指令;
(3) 接收其他锚节点和盲节点传感器的节点状态信息并发送到上位机;
2.1.2 盲节点功能
(1) 建立和维护整个Zig Bee无线传感网络;
(2) 接收上位机的指令;
(3) 接收锚节点的坐标及RSSI值并利用定位算法计算出自身坐标信息并把数据传送给网关板;
2.1.3 网关板功能
(1) 接收上位机的指令并发送给各个传感器节点;
(2) 接收各个节点的信息并传送给上位机;
(3) 节点程序烧录功能;
2.1.4 上位机 (应用程序) 功能
(1) 通过串口与网关板节点进行通信, 实现指令和数据交互;
(2) 对无线传感网络的采集任务进行控制;
(3) 对采集的数据进行分析、处理和显示;
(4) 将数据信息保存到文件、数据库。
2.2 定位原理
首先要建立一个信号衰减模型[4], 这个模型是RSSI和距离之间的关系, 可以通过RSSI值来求出节点之间的距离。两者之间的关系, 公式如下:
其中单位d Bm, p (d) 和p (d0) 分别表示在距离发射器d和d0处的信号强度, p (d) 是接收节点实际测得的RSSI, p (d0) 一般可以用发射器d0米处的路径衰减来代替, 其典型值为p (1) =30d Bm, C表示信号穿过墙壁的阀值, n表示为同层衰减指数, n W表示为节点和发射器间的墙壁个数, WAF称信号传输过程中损耗值, 即信号传输通过的障碍物衰减因子。一般情况下RSSI与节点之间的距离d的关系如下,
因此在已知n、RSSI和A的情况下, 测试距离d可通过下面公式计算出:
3 定位算法的优化
传统CC2431定位引擎采用传统的经验模型设置A、n参数, 并没有考虑外部环境 (湿度、温度等) 变化、以及复杂多变的室内环境会引起A、n参数与理论值出现偏差, 如果还采用理论模型参数设置, 那么定位精度上将得不到保证, 所以动态的获得当前环境的参数A、n显得尤为重要。
具体步骤如下:
1) 将8个或者更多的参考节点按每组3个分组, 假设每组含参考节点A、B、C。可以用如下4-1的参数模型方程为例:
其中:dAB、dAC。分别为锚节点A、B和A、C之间的距离;PL表示路径损耗值, 由测试决定, 单位dbm;d0为近地参考距离, 通常定为1m。
同理, 求得其余各锚节点的模型参数θi、Ni (i=1, 2, …, 6) 。
2) 根据下式 (2) ~ (4) 可以确定该定位环境中的模型参数θ和N:
其中:i=2, 3, …, 6。PL (d1) 为与某定位节点在物理位置上距离最近的参考节点与该定位节点通信的路径损耗。
3) 根据式 (4-5) 分别计算出某定位节点到各个锚节点的距离d1, d2, …, d6:
其中:RSSI表示接收的信号强度指示, 由测试决定;Pt为发射功率, Gr为天线增益, Pt、Gr均已知 (i=1, 2, …, 6) 。
4) 利用方程组 (4-6) 确定定位节点的位置坐标:
其中: (x1, y1) , (x2, y2) , … (xn, yn) 为各个锚节点的位置坐标; (X, Y) 为定位节点坐标。
分别用式 (4-6) 中的前n-1个方程减去最后一个方程 (n>1) , 得到线性化方程:
其中:
得到定位节点的坐标:
4 实验结果分析
本定位系统在空旷场地进行实验, 在30m×30m场地进行, 事先要用尺子测量建立一个坐标系, 然后把锚节点放置在特定的位置, 最后把未知节点随机放在坐标系内。节点之间遵循通讯协议自组成网络。盲节点和锚节点互相通信, 盲节点根据接收到的参考点数据包信息然后计算出自身位置, 并把定位数据信息传送到网关板, 然后网关板通过串口把数据信息再传送到PC机上, 通过上位机软件显示整个实验各个节点的坐标信息情况如下表所示:
根据定位精度误差我们可以看到, 由于采用动态获取环境因子和路径损耗参数, 使得CC2431定位引擎的定位精度有了较大的提升 (经验模式下的精度为3m) 。
参考文献
[1]孙利民, 李建中, 等.无线传感器网络.北京:清华大学出版社, 2005.
[2]王金龙, 王呈贵, 吴启辉, 龚玉萍.Ad Hoc移动无线网络.北京:国防工业出版社, 2004.
[3]李晓维, 徐勇军, 任丰原.无线传感器网络技术.北京理工大学出版, 2009.
[4]http://docs.tinyos.net/index.php/Boot_Sequence.
[5]http://www.tinyos.net/tinyos-2.1.0/doc/html/tep107.html.
ZigBee定位 篇4
1 Zigbee技术
ZigBee是一种新兴的无线网络技术, 短距离、低速率、低功耗。Zigbee无线网络系统配置主动式射频卡, 能主动发送数据给读写器, 系统由可多到65000个无线数传模块组成, 每一个模块可相当于一个基站, 在整个系统范围内, 它们之间可以进行相互通信。因此, 每个网络节点间的通信距离经扩展后可以实现几百米, 甚至几公里。
在节能省电方面, 一个模块使用两节普通五号电池可支持长达12个月的时间;在高可靠性方面, 采用碰撞避免机制, 避免了发送数据时的竞争和冲突;从响应时间上, 从睡眠转入工作状态约15ms, 节点连接网络约30ms;在保密性方面, 采用通用的AES-128加密算法, 且具备64位出厂编号。
2 利用Zigbee技术的井下人员定位系统
经过实地观测, 在井下作业的各个工区通道内安置若干个信号发生器, 即Zigbee网络系统的各个节点, 再根据数据检测分站的情况完成网络布线, 与地面上位机控制系统联网。当配备安装了信号感应器的井下工作人员在各个通道内工作时, 被安置在各处的信号发生器感应到, 三个以上信号发生器通过测将获取信息传到控制中心的计算机上, 根据具体的定位算法即可计算出具体位置, 并在上位机系统的控制界面中显示出来。系统将井下各工作面的监测情况显示出来之后, 既可方面监测, 预防事故发生, 也可在发生事故时, 准确了解事故地点人员被困情况, 准确高效的开展组织营救工作。
关于井下人员定位系统框图见图1, 系统由监控主站即上位机主控制系统, 网络传输接口, 有线主传输通道, 数据检测分站, 人员、车辆及设备即各个无线节点编码发射器等组成。
(1) 监控主站:
监控主站作为系统上位机一般由高性能的计算机运行专用软件构成, 主要负责实时显示, 供管理者及时查询井下情况。
(2) 网络传输接口:
其作用为将光缆信号、有线网络信号、无线网络信号进行转换。
(3) 有线主传输通道:
主传输通道由光缆组成。
(4) 数据检测分站:
每个检测分站可以连接两个射频天线, 形成两个检测点。当井下作业人员配置的信号收发器被检测到时, 检测分站读取智能卡内的信息, 储存并即时传递到监控主站。
3 协议栈结构
协议采用IEEE802.15.4, IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率 (<250kbps) 、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术。完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、以及数据链路层和物理层组成。协议栈结构如图2所示。
(1) 物理层:
物理层采用DSSS (DirectSequenceSpreadSpectrum, 直接序列扩频) 技术, 可提供27个信道用于数据收发。其主要功能包括:激活和休眠射频收发器, 信道能量检测, 信道接收数据包的链路质量指示, 空闲信道评估, 收发数据。
(2) 数据链路层:
数据链路层又分为媒质接入层MAC和逻辑链路控制层LLC。MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输;而LLC子层在MAC子层的基础上, 给设备提供面向连接和无连接的服务。
4 硬件设计
(1) 数据检测分站:
数据处理模块、传感器模块、电源管理模块和数据传输模块四部分组成无线传感器网络微型节点。其中, 数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等;传感器模块负责采集监视区域的信息并完成数据转换, 采集的信息可以包含瓦斯浓度、温度、湿度、光强度和大气压力等;电源管理模块选通所用到的传感器;数据通信模块负责与其他节点进行无线通信, 交换控制消息和收发采集数据。
(2) 无线收发芯片选择:
①频段:IEEE802.14.5定义了两种工作频率。一般来讲, 只能选择工作在2.4GHz频段的器件。②调制方式:目前广泛应用的包括FSK和OQPSK两种。其中FSK具有设备简单、调制和解调方便等优点, 并且具有较好的抗多径时延性能。③睡眠唤醒时间以及睡眠电流都是必须考虑的指标。综合考虑以上因素, 适合在国内使用的射频芯片是工作在2.4GHz频段的CC2420和CC2430。
(3) 处理器的选择:
处理器作为传感器节点的核心, 经过比较本系统选择AVR Mega128和作为处理器, CC2420作为无线收发芯片传输模块。
(4) 节点参考设计原理图:
传感器节点参考设计的电路原理图如图3所示。通过Mega128和CC2420可以有效实现物理层协议。其中射频接口电路、处理器接口电路和上层应用接口电路是电路设计主要包括的三个部分。射频接口主要是CC2420芯片射频引脚与天线之间的电路。CC2420的射频信号采用差分方式, 其最佳差分负载是115+j180Ω, 阻抗匹配电路需要根据这一数值进行调整。巴伦电路由成本低廉的电感和电容构成, 包括电感L1、L2、L3和电容C3、C4、C5、C6。其中电感L1、L2还为芯片内部的低噪声放大器和功率放大器提供直流偏置。
5 定位算法
目前常用的定位算法可分为, TOA (time of arrival) :到达时间测距法;TDOA (time difference of arrival) :到达时间差定位方法;AOA (angle of arrival) :到达角度定位方法。一般情况下选用TOA, 即通过到达时间测算距离, 通过距离完成定位。
在已知发射功率, 在接收处测量接收功率, 再根据理论或经验预估信号功率损耗模型即可估算出发射点与接收点之间的距离。公式表示如下:
undefined (5.1)
其中Pt为发射功率, Pr (d) 为接收功率, Gt与Gr分别是发射天线和接收天线的增益, d是距离, L是系统损耗因子, λ是波长。由公式可知通过功率强度与衰减损耗预估, 即可计算发射点与接收点的距离。而在三维空间中, 通过三个锚节点分别测算与一个未知节点的距离即可准确定位该未知节点。然而式 (5.1) 只是电磁波在空间中传输理想模型的体现, 实际情况中不同介质、电磁波反射折射、多径传播等许多因素会影响传播损耗, 因此误差的主要来源即实际工作环境所造成的传播模型的负责性。为解决这一问题, 一是多个锚节点同时测距, 求取未知节点的平均空间坐标;二是通过各种几何关系, 运用距离、角度等手段测算未知节点位置;三是反复测算, 不断修正传播模型, 使损耗、增益变化情况尽量贴近实际工作环境。
6 结语
利用Zigbee技术设计的井下人员定位系统能及时掌握井下工人人员、设备的具体工作情况, 确定井下工作状况与位置信息, 在排除事故隐患、事故预防预警、人员管理等方面有积极重要的作用, 在事故发生, 抢险救援的过程中能实现对被困人员最有效、有针对性的救助, 尽量降低人员伤亡, 减少损失。然而由于地下作业情况负责, 实际工作环境对电磁波信号传播影响干扰很大, 如何实现精度定位, 保障信号传输的畅通仍然是需要进一步解决完善的方面。
参考文献
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ZigBee定位 篇5
关键词：Zigbee,火灾,定位
公交车火灾已经成为公交安全的重要隐患,它威胁到人民群众的生命财产安全,使人们对公交车安全的信任度降低[1]。公交车火灾的预防非常重要,而发生起火后的及时救援也同样极为重要。从发生火灾到联系人员救护需要一段时间,如果能尽可能缩短这段时间,当公交车发生火灾后救援人员能够在第一时间赶到现场,就会减少很多人员伤亡和财产损失。因此,公交起火后的快速定位和快速报警显得尤为重要。基于这种需要,本文提出了一种基于Zigbee无线网络的公交火灾快速定位系统,当位于公交车内的传感器检测到火灾时,能立即将信号传给消防中心,同时定位传感器也将公交车的位置上传给消防中心,消防中心就能立刻依据定位系统上报的地点安排对发生火灾的公交的消防救护工作,以将人身财产损失降到最低。Zigbee网络具有灵活简易的组网能力,成本、功耗较低,能够满足在大范围城市公交线路上组网检测、定位的要求。
1 系统总体设计
本公交火灾快速定位系统由底层数据采集网络、网关和上层管理中心组成。底层数据采集网络负责火灾信号和公交车位置两种信息的采集。网关负责构建、维护及管理Zigbee网络,同时将底层数据传给上层计算机。
上层的管理计算机位于消防中心,当收到火灾报警时控制人员可以立即知晓并派出消防车,同时联系医护人员进行救护。
网关在此选择Zigbee芯片CC2430进行设计。CC2430是系统级芯片(SOC),内部集成了工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的核心是高性能的2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器。CC2430为Zigbee网络中的路由器和节点分配网络地址,起协调器的作用。
底层信息采集网络主要由检测火灾的传感节点和定位节点组成,同时包括协助定位并充当路由器功能的参考节点。火灾检测节点由烟感传感器、基于Zigbee标准的射频芯片CC2430组成,定位节点选用CC2431芯片进行设计。CC2431芯片内部具有定位引擎。图1为公交火灾定位系统框架图。采集到的现场信息由下至上传至管理中心计算机。
2 Zigbee无线网络
Zigbee具有简易灵活的组网能力,而它的功耗、成本与其它无线网络相比均具有优势,因此本设计中选用Zigbee网络进行数据传输。Zigbee的无线mesh网络可以以“多级跳”的方式实现信号传播,具有自组织和自愈功能。Zigbee网络的抗干扰性和可靠性均符合要求,其抗干扰性与蓝牙、WLAN在相同的情况下相比有明显优势。Zigbee技术在抗干扰能力和通信可靠性上的优势得益于RF物理层和通信协议上的设计。实验证明IEEE 802.15.4/ZigBee的误码率,特别是在信噪比为4 dB的情况下可达到10-9;达到同样误码率,蓝牙/802.15.1信噪比要达16 dB,802.11b要达10 dB,可见ZigBee的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN[2]。
3 定位原理
Zigbee芯片CC2431内部设计了定位引擎。定位系统中的参考节点选用CC2430进行设计。CC2431芯片使能后,将收集与多个参考节点通信时的信号强度值,利用三个参数(A值、N值、RSSI值)值,结合相应参考节点的坐标进行定位计算。三个参数中A值为距离发射机(CC2430/CC2431)1 m远的RSSI绝对值;N值为距离发射机每增加1 m衰减的RSSI绝对值;RSSI为CC2430/CC2431信号强度,单位为dBm[3]。计算中用到三角(三边)测量法。
三角(三边)测量的原理是,在地面选一系列控制点,相互连接成若干个三角形,构成各种网(锁)状图形。通过观测三角形的内角(或边长),再根据已知控制点的坐标、起始边的边长和坐标方位角,经解算三角形和坐标方位角推算可得到三角形各边的边长和坐标方位角,进而由直角坐标正算公式计算待定点的平面坐标。
该计算由硬件执行,占用很少的CPU资源,计算速度快,定位响应时间少于40 μs。为了确保公交定位的准确性,沿途的参考点应保证一定数量,一次定位至少需要三个参考节点。
4 系统控制流程
系统的软件控制流程如图2所示。当系统初始化完成后,系统将不断扫描各个公交车火灾信号的状态值,当状态为发生火灾时,系统将立即发出声音警报。在覆盖公交行径整个区域的电子地图上,将以火焰的符号显示公交所在地点。同时,系统将发送短信给相关负责人员,通知他们发生火灾的公交地点,以便救援行动能够及时展开。
5 结论
本文中的城市公交车火灾快速定位系统能够缩短消防和医护人员对公交车进行救援的响应时间,对人民的出行安全有重要意义。采用的Zigbee网络组网灵活简易,成本和耗能较低,有利于系统投放到实际应用中。
参考文献
[1]夏燕.浅析城市公交车火灾事故防范措施[OL].ht-tp://119.china.com.cn/txt/2010-07/15/content_3610952.htm.2010-07-05.
[2]颜艳华,刘军.ZigBee抗干扰性能分析及与其他无线系统的共存[J].中国无线电,2008,19(11):37-40.
ZigBee定位 篇6
无线传感器网络(WSN)主要应用于网络节点部署区域信息的采集,而这些采集的信息必须与相对应的网络节点的位置信息相结合才具有实际意义[1]。因此,如何对传感器网络节点进行定位就成为了一个急需解决的问题。目前,使用最广泛的定位技术是GPS定位技术,但是GPS定位技术要求视距传播,在遇到遮挡等情况精度会大大降低甚至无法定位,且GPS定位设备功耗、成本较高。因此,这就要求人们寻求其他的定位方式来弥补GPS定位的不足。目前,常见的定位技术有超声波技术、红外技术、RFID技术以及Zig Bee技术等。其中,ZigBee技术以其低成本、低功耗、低复杂度等优点而备受研究者的青睐[2]。
目前,基于Zig Bee的二维定位技术日趋成熟,研究成果也相对丰富。但是对于三维定位却仍然处于初级阶段,而实际应用中,人们需要的往往是节点的三维位置信息,因此对节点的三维定位技术进行研究更加具有现实意义。本文对Zig Bee网络节点的三维定位技术进行研究,期望设计出能够对节点进行三维定位的系统。
1 系统构成及定位原理
1.1 系统构成
系统的总体框图如图1所示。
从图1可以看出,系统主要由Zig Bee网络和定位管理计算机2部分组成。Zig Bee网络与定位管理计算机之间通过串口进行通信。Zig Bee网络中存在3种类型的节点:协调器、参考节点和未知节点。其中,协调器负责整个网络的建立和维护,并通过串口与定位管理计算机进行通信;参考节点是位置已知的静止节点,它的主要功能是根据节点软件要求,收集相关的信息并反馈包含自身位置的坐标信息,并根据算法要求进行相应的计算,完成辅助定位功能。未知节点是待定位节点,它的主要功能是收集测量得到的它与多个参考节点的RSSI值以及参考节点的位置信息,并将相应的信息通过协调器发送给定位管理计算机。定位管理计算机主要实现未知节点的位置解算以及对Zig Bee网络进行配置的功能。
1.2 定位原理
未知节点的定位是通过测量未知节点到若干个参考节点之间的距离,并结合参考节点的位置信息解算出未知节点的位置。未知节点的定位分为距离测量和位置解算2个步骤。
文中未知节点与参考节点的距离测量是通过基于接收信号强度指示(RSSI)的方式实现的。基于RSSI的测距是根据发射节点和接收节点在信号传输过程中的损耗,再利用理论或经验模型将信号的传输损耗转换为收发节点之间的距离值。RSSI值与节点之间距离d之间的关系可由式(1)表示[3,4]:
式中:n为信号传播衰减常数,其值与信号所处的传播环境有关;d表示收发节点之间的距离;A为当收发节点距离为1 m时,RSSI值的绝对值,其值也与信号所处的传播环境有关。由于式(1)中,A和n的取值都与节点所处的环境有关,所以,为了使RSSI值更真实地反应节点之间的距离,在进行定位实验之前,应先通过实验对这2个参数进行标定。
当通过RSSI值测量得到未知节点与参考节点之间的距离之后,就可以利用它们之间的距离及参考节点的位置信息解算未知节点的位置了。目前最常用且有效的方法是极大似然估计法。极大似然估计法(MLE)是一种基于统计学原理的定位算法。MLE算法的基本思想是:假设未知节点获得足够多的参考节点信息组成多个方程组,通过求解超限定方程组来估计未知节点的坐标位置[5]。假设有n个参考节点,它们的位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)…(xn,yn,zn),根据RSSI值得到的它们到未知节点D的距离分别为r1,r2,r3,…rn,未知节点的坐标为(x,y,z),则有式(2)方程组:
前n-1个方程分别减去最后一个方程可以得到式(3):
其中:
在实际测距过程中存在一定的测距误差,其线性模型应表示为AX+N=B的形式,其中N是k-1维的随机误差向量。利用最小二均方差估计原理,X的值应该使测量误差N=B-AX取最小值,解得未知节点的位置为:
2 节点硬件
节点的硬件可以分为Zig Bee模块和辅助功能模块2部分。其中Zig Bee模块的核心芯片是TI公司的CC2530。CC2530是TI公司推出的SOC(System On Chip,片上系统)芯片,上面集成了增强型8051CPU、RF收发器等。因此,只需要较少的外围器件即可组成无线模块。文中ZigBee模块的天线采用的是外接杆状天线,这是因为相比于PCB天线,外接杆状天线的性能更好、各个方向的辐射性能差别不大,因而各个方向的RSSI值差别也不大,这对于要实现三维定位是很重要的。辅助功能模块主要包括供电电路、代码调试下载接口、串口通信电路、按键电路、LED指示电路及复位电路等。硬件节点的框图如图2所示。
3 网络节点软件设计
本文Zig Bee网络节点程序是以Z-Stack协议栈为基础,利用IAR Embedded Workbench应用开发工具进行开发的。网络中的节点分为3类:协调器节点、参考节点和未知节点。
3.1 协调器节点
协调器主要完成网络建立和维护功能,并通过串口与定位管理计算机进行通信。网络中其他节点的数据要发送到定位管理计算机,也必须通过协调器转发。协调器节点的程序流程如图3所示。
协调器节点的工作流程如下:节点上电后,协调节点首先建立网络。当协调器节点收到数据后,根据数据来自定位管理计算机还是来自节点进行相对应的操作:若数据来自定位管理计算机,则通过解析定位管理计算机数据将相应的命令发送给网络中的其他节点,对节点进行配置;若数据来自网络中的其他节点,则将数据通过串口传送给定位管理计算机。
3.2 参考节点
网络中的参考节点的主要功能是接收目标节点广播的定位数据包,并记录通信过程中RSSI值。当一次定位过程结束时,将自身的位置信息和RSSI值打包发送给未知节点。其程序流程如图4所示。
参考节点的工作流程如下:节点上电后,请求加入到网络中。加入网络成功,则等待接收数据。当接收到数据后,对数据进行解析:若接收到的为节点配置数据,则更新节点信息,并将配置信息写入到Flash;若接收到未知节点广播的定位数据包RSSI_BLAST,则记录下RSSI值;若收到未知节点的XYZ_RSSI请求,则将参考节点的位置信息和记录下的RSSI值的平均值发送给未知节点。
3.3 未知节点
未知节点是待定位节点,它主要向各个参考节点发送定位请求,并收集参考节点的位置信息和RSSI值,然后将信息通过协调器传送给定位管理计算机,由定位管理计算机实现节点的位置解算功能。其程序流程如图5所示。
未知节点的工作流程如下:节点上电之后,请求加入网络中。加入网络成功后,若收到定位管理计算机发送的节点配置信息,则更新节点配置信息,并将信息写入到Flash中。配置成功后,节点每隔一段固定的时间发送一次定位请求,每次定位请求会广播多个定位数据包,当广播到最后一个数据包的时候,同时发送XYZ_RSSI请求,要求参考节发送其位置及收集的RSSI值,并开始收集参考节点返回的位置信息和RSSI值。如果在一次定位过程中接收到的多余4个参考节点返回的信息,表示定位数据有效,则将收到的信息打包传送给定位管理计算机进行位置解算。
4 定位管理计算机软件设计
定位管理计算机能够实现对Zig Bee网络中节点的配置、对未知节点进行位置解算,并将解算结果保存在数据库中以供查询。定位管理计算机软件可以分为串口通信、节点定位和节点配置3个子模块。串口通信模块负责计算机与Zig Bee网络之间的数据通信;节点定位模块根据未知节点上传的定位数据实现未知节点的定位功能,并将定位结果保存下来;节点配置模块实现对参考节点的位置信息配置以及未知节点所处环境的测距模型参数配置。之所以使用参数配置模块将节点的参数信息写入到节点,而不是直接将节点信息保存在定位管理计算机直接供计算机使用,主要是为了系统的扩展考虑。若系统扩展后除了定位管理计算机以外还存在多台计算机可以对网络区域内的目标节点进行定位监控,则其他计算机可以直接利用目标节点传送来的数据进行位置解算。定位管理计算机程序的总体流程如图6所示。
5 实验测试
5.1 测距模型参数标定
由于测距模型中的参数A和n的取值与环境有关,因此,在定位之前应先通过实验确定这2个参数的取值。本文采取的方法如下:2个节点之间以1 m为初始间距,并以1 m为步进值增加节点间距离,在每一个距离上2个节点通信多次,记录下多次通信的RSSI值,然后求取RSSI值的平均值。本次实验中测量RSSI值的次数取为50。然后采用最小二乘拟合法进行曲线拟合,得到“RSSI-距离”的关系曲线。实验中在节点间距离从1~20 m范围内拟合的曲线如图7所示。
由此确定的式(1)中的模型参数A和n的值分别为:39和2.36。将参数代入式(1)中,可得RSSI与距离的关系为:
5.2 定位测试
定位实验地点选在宿舍楼下的空地上进行,空地的南边为宿舍走廊墙壁。实验中用到的参考节点为5个,分别布置在地面和墙壁上,参考节点的布置如图8所示。其中xoy平面表示的是墙面,xoy平面表示地面。
定位测试实验过程如下:所有参考节点部署到指定的位置之后,打开定位管理计算机软件,完成节点的配置工作后,就可以开始定位了。定位过程中,在参考节点部署区域内选取若干个点,测出它们的实际位置,将未知节点放置在这些点上,然后从定位管理计算机上读出定位系统测量的未知节点位置。用(x,y,z)表示未知节点坐标测量值,(x0,y0,z0)表示未知节点坐标实际值,规定定位误差为:实验结果记录如表1。
m
通过对表中各个测试点的误差比较和分析可知,当未知节点靠近参考节点布置区域的中间位置时,定位误差相对较小。因此,在布置定位系统的参考节点时,要考虑未知节点活动范围,使未知节点的活动区域尽量位于参考节点布置区域的中间位置。同时,可以看出,当节点靠近地面或者墙壁时,定位误差也相对较大,这主要是地面和墙壁对信号的反射造成多路径效应,从而影响了测距精度。
6 结语
本文在Zig Bee技术的基础上,研究无线定位原理,采用基于接收信号强度值定位方式,设计了一个无线三维定位系统,实现对Zig Bee网络中未知节点的定位功能,并进行了实验。实验表明,该系统能够实现节点的三维定位功能。
参考文献
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[6]白旭华,张瑞峰,张肖萌,等.基于Zig Bee网络的室内定位系统的设计与实现[J].天津理工大学学报,2012,28(2):11-15.
ZigBee定位 篇7
关键词：紫蜂协议网络,蜂窝网,信号强度指示,高斯噪声
0引言
定位技术是一种用于对物体或人的位置信息进行实时检测的技术, 通常用于需要实时掌握重要的物体或人位置信息的场合, 如汽车、贵重货物、矿工、以及进入抢救现场的消防员等等。目前较为成熟的定位技术, 如美国的GPS定位系统、中国的北斗定位系统, 这两种方式利用了人造卫星进行定位。但是以上两种方式定位的精度, 即使在军用上也只能达到10m左右, 而且在室内接收到的卫星信号很差, 因此这两种方式都无法用于室内环境下的定位。在实际应用中, 需要一种用于在室内定位、且定位精度较高的定位技术。目前对于这一方面的研究特别多, 其中受到较为关注的技术有Zig Bee和RFID, 也有研究者将两者联合进行定位[1]。在Zig Bee定位中, 通常利用RSSI算法实现定位, 但是定位的精度经过试验实测并不能达到理论值。因此, 如何提高RSSI算法定位的精度是Zig Bee定位技术中的关键所在, 也是本论文研究的出发点。
1 Zig Bee定位技术概述
要实现Zig Bee定位需要首先建立Zig Bee网络。Zig Bee网络主要由信标节点和待测节点组成。信标节点提供参考坐标, 而待测节点即为需要测定位置的节点, 将待测节点安装在需要定位的物或人, 即可以实现对该物或人实时定位。为了将检测到的信息传送至上位机, 还需要一个网关节点, 网关节点与普通Zig Bee节点相比, 需要增加一个与上位机通信的接口, 将采集到的信息传送至上位机, 在上位机利用定位算法和计算软件将待测节点的位置信息计算出来, 并通过人机接口软件展现出来。由信标节点组成的Zig Bee网络形成了一个Zig Bee无线定位骨干网络[2,3]。为了保证定位功能, Zig Bee无线定位骨干网络中至少包括3个节点。但是由于室内环境的复杂性以及物体的移动性, 使得接收到的信标节点的信号强度值不稳定, 甚至在物体不移动的情况下, 在不同时刻测出的信号强度值都有可能不同。因此, 仅仅依靠3个信标节点是不够的。一般需要4~8个信标节点, 信标节点越多, 测量出的位置信息越准确。但是随着信标节点数量的增加, 计算工作量会很复杂, 因此也不宜取得太多。在本论文思路为从6个信标节点中优选出三个信标节点, 再通过定位算法得到待测节点的位置信息。PC机与网关的连接采用有线方式, 而信标节点、待测节点以及网关之间都采用无线的方式, 省去了铺设线缆的麻烦, 也节约了时间。
2算法描述
2.1无线信号传播损耗模型在RSSI算法模型中, 在待测节点处测量信标节点发送来的信号强度, 并将接收到的信号强度以及对应的信标节点的坐标信息通过网络发送至上位机, 在上位机上利用定位算法和计算软件计算出待测节点的位置信息。算法的关键问题是将信号强度转化为位置的信息。由于信标节点与待测节点之间采用无线传输, 而无线传输环境较为特殊。在无线信号传输的过程中, 经历各种衰落, 还会受到物体的阻挡, 以及信号的反射、散射以及绕射等, 因此实际接收到的信号强度与距离之间存在着复杂的关系。为了得到信号强度与距离的关系, 需要建立无线电传播模型。常用的传播路径损耗模型有自由空间传播模型, 而这种模型在Zig Bee定位系统中不适用, 因此采用的一种修正后的模型, 如式 (1) 所示:
由式 (1) 可得到:
其中, Pr (d) 为距离发送点距离d处的接收损耗;Pr (d0) 为距离发射d0处的接收功率;d0为参考距离, 室内通常取1m;α为路径损耗因子, 通常在不同的环境中取不同的值。
由于无线传输环境的特殊性, 测量得到的RSSI是随机分量, 但是在一个稳定值附近波动, 符合高斯分布模型。可以采用多次测量求平均的方法减少随机噪声对测量结果的影响。
2.2算法实验模型在RSSI定位算法中, 已知发射信号强度, 待测节点根据收到信号的强度, 计算出信号的传播损耗, 利用式 (2) 将传输损耗转化为距离, 再利用算法计算出节点的位置。为了保证计算的精度, 在本研究中并不在待测节点处计算, 而是待测节点通过Zig Bee网络将信号强度与对应的信标节点参考坐标发送至PC机, 在PC机上通过计算软件计算出来。
首先将整个需要定位的区域分隔成一个个小的定位区, 在参考文献[4]中, 采用了等边三角形的。这种方式尽管需要的信标节点数较少, 但是如果在一个稍微复杂的室内环境中, 就不太容易优选出需要的信标节点, 因此本思路参考了移动通信网的蜂窝概念, 而选择了正六边形作为定位区域。信标节点的分布如图1所示。观察其中一个蜂窝形状ABCDEF, 设其中心点为O, 中心点距离端点的距离为d, d的取值不宜太大, 也不能太小。为了准确优选出定位区的三个信标节点, d的取值<5m[4], 这样也可以使得每个节点的发射功率下降到-25d Bm。
2.3定位算法分析首先测算出待测点离6个锚点中信号最强的3个锚点, 假定为A、B、F, 即离待测点最短距离的数据, 如图2中L1, L2, L3。
由于锚点的布局是正六边形, 若锚点与锚点之间的距离是L, 对角线为M、N, 如图3, 根据正六边形特点, 对角线与边长之间有如下关系。
根据正六边形特点, 显然有L+N>L1+L5>M
由式 (3) 和式 (4) 代入上式得
显然L1与L5之和值有个范围, 区间相差约0.3L。当对角锚点测量距离和不满足式 (5) 时, 表明有异常点出现, 即此对角锚点之间存在着障碍物的干扰。如果将存在障碍物干扰的锚节点参与运算, 造成结算的定位误差较大。因此将此锚节点抛弃, 不参与移动节点位置的计算。
2.4算法性能分析及实验结果在本算法中, 根据锚点提供的坐标信息、和信号接收强度RSSI, 优选出三个信标节点, 可以推算出待测点的坐标。通常接受一个锚点信号, 需要一定的时间, 如果是用Zig Bee2007, 则通常需要3-5秒, 而接收完6个锚点的20次信息 (需求节点的位置信息加以平均) , 再加上处理所需要的时间, 程序处理、需要的最少时间一般在10分钟左右, 显然不适合快速运动的物体。而在本算法中只选定三个信标节点, 在程序处理时间上至少减少一半, 更加适合于移动的物体位置的估算。
针对论文中提出的算法进行实验测试, 在测试中, d的距离选取了5m, 在测试过程中, 分别测试了采用六点直接估算, 以及本算法中的三点信标节点计算待测点的坐标, 假设待测节点的实际位置 (0, 0) , 则六个节点的位置分别如图4所示。在实际测试过程中, 在B、D、F点附近认为设置障碍物, 则测试数据如表1所示。
测试数据中, 第一种情况选取了A、C、E, 这三个节点收到障碍物影响最小的节点, 也是该算法优选出的三个信标节点, 在此情况下, 通过算法计算得到的待测节点位置与实际节点位置误差为1.80m, 而2、3、4情况中三个信标节点中夹杂了一个受障碍物影响的节点, 误差比第一种情况多出1m左右, 第5种情况三个信标节点中夹杂了两个受障碍物影响的节点, 导致误差进一步增大。实验结果也进一步验证了本算法的可行性。
3小结
本文提出了基于Zig Bee的优选优选信标节点定位算法, 可以在室内或室外实现定位。提出的定位算法, 能较大程度地优选出信标节点, 并分情况讨论实现定法的具体方法, 从而提高定位的精度。但是RSSI的值随环境的变化改变较大, 即使在同一地点的不同时刻测量出的RSSI值都会有所不同, 因此合适的损耗模型还有待进一步研究, 也是该研究方向的一个难点。
参考文献
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[3]李占波, 刘慧玲, 基于Zig Bee的动态WSN节点定位[J], 计算机工程与设计, 2012 (02) :431-434.
ZigBee定位 篇8
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P C机(上位机),它通过R S 2 3 2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:tP发射功率;tG发射天线增益;rG接受天线增益;λ信号波长;d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,P0(d 0)是是距离动态节点d0处的参考信息强度,np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,Xσ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
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