基于ZigBee技术的室内定位系统的设计

引言

　　随着数据业务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，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置。但是受定位时间、定位精度以及室内复杂环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。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、低功耗的优点，且信号传输不受视距的影响。

1 相关核心技术概述

1.1 ZigBee技术概述

　　ZigBee技术[1]是一种新兴的近距离、低功耗、低成本、低数据率、低复杂度的双向无线通信技术，它是基于IEEE 802.15.4标准开发的无线协议。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE 802.15.4负责物理层和链路层标准。完整的ZigBee协议套件由应用层、应用架构层、网络层以及数据链路层和物理层等组成，协议栈结构如图1所示。

图1 ZigBee协议栈结构

　　ZigBee可使用的频段有3个，分别是2.4 GHz的ISM频段、欧洲的868 MHz 频段以及美国的915 MHz 频段，不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。中国采用2.4 GHz频段，它是免申请和免使用费的频段；采用直接序列扩频技术DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，传输距离介于10~75 m（增加RF发射功率，可达500 m）；传输速率为20~250 kb/s，适合传感器数据采集和控制数据的传输。ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网。

1.2 RSSI定位技术

　　RSSI[2]（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示）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,再利用已有的算法计算出节点的位置。该技术硬件要求较低、算法相对简单,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。接收信号强度是发射功率和发射器与接收器间距离的函数。

　　接收信号强度RSSI理论值可由式 (1)表示：

RSSI=-(10n・lgd+A)(1)

其中，n代表信号传播常量，也叫传播指数；d代表距发射器间的距离；A代表距离1 m时的接收信号强度。

　　信号的衰减与距离成对数衰减的关系。节点到信号源的距离越近, 由RSSI值的偏差产生的绝对距离误差越小；而当距离大于某一值时,由RSSI波动造成的绝对距离误差将会很大。一个未知节点可能收到n个参考节点的信号, 所以应当采用RSSI值大的前几个参考节点进行定位计算，这样可以避免定位误差扩大。

2 ZigBee技术实现定位的优势

(1) 功耗低

　　由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1 mW,而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。ZigBee设备仅靠2节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，其功耗远远低于其他无线设备。

(2) 成本低

　　与 GPS相比，定位引擎在单芯片 ZigBee RF收发器中与 MCU集成在一起，成本不及 GPS硬件的1/10，功耗也只是 GPS硬件的一小部分，并且ZigBee协议是免专利费的。

(3) 时延短

　　通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30 ms，休眠激活的时延是15 ms，活动设备信道接入的时延为15 ms。因此ZigBee技术适用于对实时定位要求较高的应用。

(4) 网络容量大

　　一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，组网方式灵活。随着ZigBee技术的成熟，未来ZigBee设备不断增多，可以利用具有ZigBee RF的设备或基础设施,容易组建ZigBee网络，降低了ZigBee节点设计和组网成本,且利用更多的ZigBee设备可以达到更高的定位精度。

3 室内定位系统设计

3.1 系统结构

　　定位系统由盲节点（即待定位节点）和参考节点组成，为了便于用户获得位置信息，还需要一个与用户进行交互的控制终端和一个ZigBee网关。系统结构如图2所示。

图2 系统结构图