一种基于ZIGBEE基站的室内定位技术研究

[摘 要]提供一种基于Zigbee基站无线通信检测技术的室内定位系统，该基站由片上SOC的CC2530及其无线射频系统组成，在需要定位的空间内，每隔50～100米固定布置一个位置基站，该位置基站定时的发送网络信号，当需要定位的未知节点加入该网络信号后，即可通过三点定位法，获得未知节点的位置信息，实现室内定位。该技术解决了传统无线网络结构复杂，功耗大，组网成本高的问题。

[关键词]室内定位 Zigbee RSSI三环定位方法 无线网络通信

中图分类号：TP36 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0345-01

1 背景概述

目前对于室内物品及人员的位置感知计算及基于位置信息的服务已越来越多，其满足于社会发展技术更迭中行业细分领域的服务需求，如工业区大型设备查找及定位，煤矿地下设备及人员定位，医院老残智障人员查找及跟踪等。

国内外众多专家学者提出一系列室内定位的解决方案，如超声波定位，wi-fi定位，蓝牙定位，Zigbee定位，红外线技术，射频识别技术，计算机视觉定位技术等。本文提出的Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术。通过2.4G自组网协议，可实现局域网内多达65536个节点的组网通信，实现互联网传感器无线通信，广泛用于工业领域。

Zigbee定位技术的特点

室内定位系统面临着多种复杂问题，如室内环境复杂度高，室内具有多种不确定因素及设备会阻隔或反射无线射频信号，且室内定位要求精度高，一般在5米以内及更高的精度，为考虑到安全因素，会对室内无线信号的功率要求，该无线射频信号一般选用微弱功率信号。

IEEE 802.15.4/Zigbee无线个人局域网络技术的快速发展为该技术实现室内定位提供了广阔的前景。该技术实现室内定位系统具有功耗低、成本低、实用性广的特点。本文中提出的基于RSSI的Zigbee无线室内定位系统，RSSI为接收器接收到的无线信号强度指示，通常，RSSI等价于被测量设备发出信号的功率，理论上该信号强度经过一定的空间距离后会衰减，该信号强度的衰减量可被侠义的设定为该发射设备与接收设备的距离差。该系统可以选择集中式的定位服务区或者让移动目标实现自定位的两种方式而使系统具有更大的灵活性。

基于SOC的CC2530解决方案

CC2530具有高达128K的可编程flash，8Kb的RAM，强大的5通道DMA，通用定时器（一个16 位定时器，一个8 位定时器），具有8 路输入和可配置分辨率的12 位ADC，21 个通用I/O？引脚（19×4 mA，2×20 mA），具有看门狗定时器，具有2.4G 无线射频模块。

CC2530为 Zigbee基站核心处理单元，通过自带的ADC单元定时进行电量采集并上报，便于监控中心监测其电量；通过IO口外接DS18B20温度传感器，测量温度参数，用于监控中心对基站及其外界环境温度的监控及报警；通过RS485总线，建立与服务器端的通信，定时将待测定位节点信息、温度、电量、基站状态及默认参数等上报。在核心基站中，搭建LED状态显示单元及蜂鸣器，便于对待测位置节点的监控及自身报警。

本文中，采用TI Zigbee RF设备，其内嵌的定位引擎使用Zigbee网络的RF基础设施来计算事物或人物所处的位置。定位引擎在单芯片 RF 收发器中与 MCU 集成在一起，采用了一种分布式定位计算方法。这种计算方法根据从距离最近的参考节点（其位置是已知的）接收到的信息，对节点进行本地计算，确定相关节点的位置。因此，网络流量的多少将由待测节点范围中节点的数量决定。另外，由于网络流量会随着待测节点数量的增加而成比例递增，故系统中，还允许同一网络中存在大量的待测节点。

基于Zigbee技术的室内定位工程方案

一：工程技术方案

1. 在需要定位的空间内，每隔50～100米固定布置一个位置节点，位置节点在系统的位置确定；

2. 给需要定位的人或物佩一个定位卡片，定位卡片在位置节点所布置的信号覆盖范围内移动，位置节点定时搜索未知的定位卡片并建立连接；定位卡片通过广播方式，发送在线状态信息，并建立与位置节点及路由的通信通路；

3. 位置节点及定位卡片建立无线连接后，定位卡片接收位置节点的信号，并将电量信息、温度信息与绑定的ID信息、RSSI信号强度信息打包后，通过无线方式发送给路由/数据节点；

4. 路由/数据节点通过连接线连接交换机，交换机与后台服务器建立通信，通过交换机将数据发送给后台服务器；服务器实时接收上报数据并解析，后台服务器的数据库中心将各个位置节点信息记录并存储，通过定位算法计算定位卡片位置并在地图中显示，并实时显示位置节点及定位卡片的在线状态，通过可视化地图方式展示。

二.定位技术方案

其中多点定位方法如下所述：X为定位卡片，A，B，C三点为位置节点，已知X与A，B，C三点的距离。取A或B或C中任一点为球心，以A，B，C的RSSI信号强度转换的距离作为半径作球形图，得到三个球形交点处即为X的位置。若需要更精确的位置，可选取E、F等点，重复作图。

结论与应用前景

本文中提供的Zigbee定位系统，根据定位节点的选择，可实现粗略及精细定位，在定位精度不高的场合，使用单点定位法即可实现定位，布置简单快捷；在定位精度高的场合，可采用3点或者更高定位方法，以获取更高的定位精度，最高定位精度可达2.5m。

Zigbee定位系统为一项成熟的工程实施方案技术，已大量用于工业、医疗、电力、商业等领域。目前已广泛应用于煤矿或隧道，确定工作人员的位置及发生危险时迅速找到工作人员；跟踪码头仓库的集装箱起运情况；用于电厂、变电站等危险区域，确定工作人员位置；用于养老院，确定入院人员的位置及发生危险时的紧急呼叫等室内需要定位的场合，其市场前景及应用远景广阔，市场潜力极大。

参考文献：

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[2]董国军.基于RFID与ZigBee的室内定位跟踪技术研究？[D]？天津大学？2004？5-20.

[3]杜月林.基于Zigbee技术的室内定位系统算法研究及实现？《计算机技术发展》2014-2.

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