基于ZigBee的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)研究

1、基于ZigBee的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)研究摘要定位技術(shù)是位置服務(wù)的核心要素之一，隨著智能終端的普及，人們?cè)谏詈凸ぷ髦性絹?lái)越多地應(yīng)用到位置服務(wù)，而這一切的前提是定位。定位技術(shù)方式也從單一地依賴全球定位系統(tǒng)發(fā)展到應(yīng)用多種方式進(jìn)行室內(nèi)室外無(wú)縫定位。無(wú)線通信技術(shù)的成熟和發(fā)展，促進(jìn)了新型無(wú)線業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，越來(lái)越多的應(yīng)用都需要自動(dòng)定位服務(wù)。為了解決自動(dòng)定位的問(wèn)題，基于衛(wèi)星通信的全球定位系統(tǒng)(GPS)出現(xiàn)了，其良好的定位精度解決了很多軍事和民用的實(shí)際問(wèn)題；但是當(dāng)需要定位的物體位于建筑物內(nèi)部(如辦公大樓內(nèi))，其定位精度就明顯下降了。因此，必須研究新的室內(nèi)定位技術(shù)以彌補(bǔ)GPS的不足。 基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)是一種新興的低成

2、本、低功耗、低速率的短距離無(wú)線通信技術(shù)。隨著技術(shù)越來(lái)越多地被用于家庭自動(dòng)化、遙測(cè)遙控、汽車(chē)自動(dòng)化和醫(yī)療護(hù)理等應(yīng)用領(lǐng)域，基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)定位問(wèn)題正日益受到關(guān)注。本文介紹了幾種室內(nèi)定位技術(shù)，通過(guò)比較的得出ZigBee是最合適的室內(nèi)定位技術(shù)，以及此種定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：ZigBee 室內(nèi)定位技術(shù) 無(wú)線通信隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線定位的需求與日俱增。接下來(lái)，就此進(jìn)行個(gè)討論。1無(wú)線定位技術(shù)的發(fā)展無(wú)線定位服務(wù)是指通過(guò)無(wú)線終端和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的配合，確定移動(dòng)用戶的實(shí)際位置信息，從而提供用戶所需的與位置和方向相關(guān)的服務(wù)。無(wú)線定位服務(wù)的發(fā)展始于美國(guó)。年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)￥定了法規(guī)，要求

3、所有移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商，在移動(dòng)用戶發(fā)出緊急呼叫時(shí)，必須向公共安全服務(wù)系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號(hào)碼，以便對(duì)用戶實(shí)施緊急救援工作，并要求分階段實(shí)施定位精度不斷提高的用戶定位服務(wù)。年對(duì)法進(jìn)行修訂，對(duì)定位精度提出新的要求，極大的促進(jìn)了美國(guó)（）產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。此后，日本、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、芬蘭等國(guó)家紛紛推出各種各具特色的商用定位服務(wù)。這些服務(wù)主要應(yīng)用于：公共安全，如緊急救援；報(bào)警信息發(fā)布，跟蹤業(yè)務(wù)，如犯罪嫌疑人的跟蹤，走失老人和兒童的尋找，車(chē)輛的防盜報(bào)警，交通監(jiān)控；基于位置的信息業(yè)務(wù)：如車(chē)輛導(dǎo)航服務(wù)，城市觀光；基于位置的信息發(fā)布等。無(wú)線定位服務(wù)已經(jīng)在軍用、民用和商用領(lǐng)域證明了其重要性?，F(xiàn)今實(shí)用的定位系統(tǒng)

4、多半基于技術(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用成本較高。低成本、高可靠性的新型定位系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)變得非常緊迫。另一方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（）可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實(shí)而可靠的信息。因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐、抗災(zāi)等領(lǐng)域，它是信息感知和采集的一場(chǎng)革命。由于的低成本、便于大規(guī)模應(yīng)用，使得以為載體的定位研究被給予了廣泛的關(guān)注。的定位機(jī)制逐漸成為其主要技術(shù)之一。在無(wú)線通信協(xié)議體系中，是其中一種新興的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，因其優(yōu)越性，它獲得了快速的發(fā)展。它確定了低速個(gè)人局域網(wǎng)（）標(biāo)準(zhǔn)，定義了物理層（）和媒體接入控制層（，）。年，聯(lián)盟在物理層

5、和媒體接入控制層的基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)層（）和應(yīng)用層（）進(jìn)行了具體定義，為用戶提供了大量的函數(shù)，從而形成了完整的協(xié)議。技術(shù)作為一種新興的低成本、低功耗、低速率的短距離無(wú)線通信技術(shù)，它的獨(dú)特技術(shù)特點(diǎn)使得其成為中的理想通信技術(shù)選擇。 隨著對(duì)技術(shù)研究的不斷深入，大量的實(shí)用硬件、軟件載體都相繼被推出，使得基于技術(shù)的和定位技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展。尤其是基于技術(shù)的定位系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)逐漸成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。2.其他典型室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng)2.1室內(nèi)GPS定位技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù)。衛(wèi)星定位的優(yōu)點(diǎn)是定位精度較高，定位精度可以達(dá)到幾米的范圍，而且衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，且定位導(dǎo)航信號(hào)免費(fèi)。缺點(diǎn)是需要終端內(nèi)置衛(wèi)星接收模

6、塊，定位精度受終端所處的環(huán)境影響較大，而且定位器終端的成本較高。當(dāng)接收機(jī)在室內(nèi)工作時(shí)，由于信號(hào)受建筑物的影響而大大衰減，定位精度也很低，要想達(dá)到室外一樣直接從衛(wèi)星廣播中提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)和時(shí)間信息是不可能的，甚至無(wú)法完成定位。為了得到較高的信號(hào)靈敏度，就需要延長(zhǎng)在每個(gè)碼延遲上的停留時(shí)間，（，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)輔助）技術(shù)為這個(gè)問(wèn)題的解決提供了可能性。室內(nèi)技術(shù)采用大量的相關(guān)器并行地搜索可能的延遲碼，同時(shí)也有助于實(shí)現(xiàn)快速定位。2.2室內(nèi)WiFi定位技術(shù)隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了如周邊搜索等創(chuàng)新的業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)重視用戶體驗(yàn)，對(duì)定位的時(shí)延要求很高，在移動(dòng)終端發(fā)起定位請(qǐng)求的幾秒鐘內(nèi)就要求有定位結(jié)果。業(yè)務(wù)的使用場(chǎng)景也

7、往往發(fā)生在沒(méi)有GPS信號(hào)的地方。同時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)定位技術(shù)要求較高，此時(shí)，GPS定位無(wú)法滿足使用區(qū)域和定位時(shí)延的要求，而WiFi定位技術(shù)由于其定位速度快、精度較高和能進(jìn)行室內(nèi)定位的特征，則是這種場(chǎng)景下的最佳選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用了以WiFi定位技術(shù)為核心的、融合了WiFi和扇區(qū)、GPS等多種信號(hào)源的混合定位技術(shù)。目前Wi-Fi技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代生活中被廣泛應(yīng)用，無(wú)論是在咖啡廳等休閑場(chǎng)所還是政府公共場(chǎng)所，都能夠隨時(shí)隨地連接與各大運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。即使面對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)大軍四面撲敵而來(lái)，Wi-Fi除了有既定的聯(lián)機(jī)速度優(yōu)勢(shì)之外，也同樣能夠應(yīng)用于定位技術(shù)。 Wi-Fi定位技術(shù)能夠彌補(bǔ)GPS的弱點(diǎn)，不僅能夠

8、強(qiáng)化GPS在室內(nèi)定位不準(zhǔn)或無(wú)法定位的缺點(diǎn)，同時(shí)又能夠提供更完善的室內(nèi)定位應(yīng)用服務(wù)，以創(chuàng)造更大的商機(jī)及社會(huì)服務(wù)。相比較之下，通過(guò)Wi-Fi來(lái)完成立即尋址的優(yōu)勢(shì)明顯提高不少。而Wi-Fi定位的原理是采用三角定位的方式，也就是通過(guò)移動(dòng)設(shè)備和三個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)交流，以便識(shí)別移動(dòng)設(shè)備目前所在的位置，不過(guò)移動(dòng)設(shè)備與三個(gè)無(wú)線熱點(diǎn)之間的距離不盡相同，所以反應(yīng)在無(wú)線熱點(diǎn)上的移動(dòng)設(shè)備信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有差異，但仍可由差分進(jìn)化算法，能夠比較準(zhǔn)確地定位所在位置。但是在真正的實(shí)施與部署中，WiFi定位系統(tǒng)面臨著一個(gè)極為嚴(yán)峻的問(wèn)題，那就是廣泛存在的運(yùn)動(dòng)中的WiFi接入點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的影響。WiFi接入點(diǎn)的移動(dòng)是不可避免的現(xiàn)實(shí)，

9、所以只能通過(guò)采取手段將這種移動(dòng)對(duì)定位數(shù)據(jù)庫(kù)的損害降到最低。而且只有在知道信號(hào)源在哪里之后，用戶才能使用WiFi搜索器確定出自己的位置，因此，這是個(gè)需要解決的問(wèn)題。2.3傳感器定位 在定位中加入傳感器使很多新穎奇特的終端功能成為可能，也為很多感應(yīng)應(yīng)用提供條件。如慣性傳感器定位使用航跡推算方法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)縫的定位,航跡推算方法涉及到三個(gè)因素：步數(shù)、航向和步長(zhǎng)。步數(shù)與航向可以通過(guò)慣性傳感器獲得,數(shù)據(jù)處理與分析,得到較為精確的步數(shù)與航向,但是人行走時(shí)候的步長(zhǎng)具有較高的隨意性,固定的步長(zhǎng)會(huì)影響定位的精度。在終端上使用傳感器可以提升用戶的體驗(yàn)，使終端更“智能”。但是其中有很多困難需要克服。例如耗電量高、

10、傳感器精度不足、計(jì)算能力不足、外來(lái)修正信息不一定能保證精度和硬度本身會(huì)增加終端成本等。另外，就是如果不進(jìn)行定期地糾正，這種傳感器定位方式可能會(huì)積累誤差，使定位精度越來(lái)越壞。3 ZigBee定位技術(shù) 3.1 定位技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展 伴隨著技術(shù)的出現(xiàn)，基于技術(shù)的定位研究也隨之展開(kāi)。國(guó)內(nèi)外許多公司和研究機(jī)構(gòu)展開(kāi)了基于技術(shù)的無(wú)線定位技術(shù)研究。總體而言，基于的無(wú)線定位問(wèn)題的研究在國(guó)內(nèi)才剛剛起步，主要還處于利用國(guó)外芯片應(yīng)用開(kāi)發(fā)上面。國(guó)外在硬件芯片、協(xié)議棧、軟件配套、定位算法理論研究上都實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，因各種外部環(huán)境的限制，許多算法存在有待改進(jìn)的方面。 年第一季度，各大芯片制造商紛紛推出了符

11、合標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)模塊和通信套件，但是目前只有個(gè)原始設(shè)備生產(chǎn)商（）的套件符合聯(lián)盟規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。這四家公司分別是挪威的（和等）、美國(guó)公（）、美國(guó)公司（）、美國(guó)公司（）。個(gè)公司的芯片功能都各有其特點(diǎn)，適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。其中主流的芯片為公司的芯片和，以及公司的芯片?；诩夹g(shù)的定位系統(tǒng)也以這些芯片為核心器件。年月，德州儀器（）宣布推出業(yè)界首款帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)（）解決方案，該芯片的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了定位技術(shù)的飛躍，即將定位算法用硬件實(shí)現(xiàn)?；谏唐坊亩ㄎ幌到y(tǒng)大量涌現(xiàn)。國(guó)內(nèi)如成都無(wú)線龍、深圳旭昂科技等公司也推出了自己成熟的定位解決方案。3.2 ZigBee定位解決方案 總體而言，目前存在兩種定位解決方案。 （

12、）基于片上系統(tǒng)的單芯片定位方案 在基礎(chǔ)之上增加了基于的硬件定位引擎【，】，通過(guò)輸入環(huán)境信息以及參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，即可輸出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，在典型應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)的精確定位。但由于其定位算法由硬件物理完成，導(dǎo)致基于的定位系統(tǒng)靈活性較差。（）（）定位算法 利用實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信息傳輸，將定位方法嵌入芯片內(nèi)部或在上位機(jī)集中處理，其定位算法可以靈活選擇，本文就是使用芯片進(jìn)行定位實(shí)現(xiàn)的。3.3 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)委員會(huì)制定了三種不同的（）標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別在于通信速率、能力等。標(biāo)準(zhǔn)即藍(lán)牙技術(shù)，具有中等速率，適合于從蜂窩電話到的通信，其機(jī)制適合于話音業(yè)務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)是高速率的標(biāo)準(zhǔn)，適合于多媒體應(yīng)用，有較高的保證。標(biāo)準(zhǔn)也

13、就是技術(shù)，目標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無(wú)線通信的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)速率和的要求不高。3.4 基于技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 選擇技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，是基于其具有的諸多性能優(yōu)點(diǎn)。具體來(lái)講，可總結(jié)如下： （）數(shù)據(jù)傳輸速率低。技術(shù)的最大傳輸速率只有，專(zhuān)注于低速率傳輸應(yīng)用。（）設(shè)備省電，功耗極低。技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)個(gè)月到年左右的使用時(shí)間。（）通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。采用了的避免碰撞機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，因此通信可靠性

14、高。提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用，同時(shí)協(xié)議棧的各層可以靈活確定其安全屬性。（）網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其它節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，構(gòu)成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)增加或者刪除個(gè)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)、節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。（）時(shí)延短，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。通常時(shí)延都在到之間，因此設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳送的延時(shí)時(shí)間很短，適合實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用。（）成本低廉，工作頻段靈活。設(shè)備的復(fù)雜程度低，且協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)的，可以有效地降低設(shè)備成本。的工作頻段靈活，使用的頻段分別為（全球）、（歐洲）及（美國(guó)），均為免執(zhí)照頻段。（）網(wǎng)絡(luò)容量