基于ZigBee的室内无线定位技术研究学位论文 精品.docx

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基于ZigBee的室内无线定位技术研究

摘要

定位技术是位置服务的核心要素之一，随着智能终端的普及，人们在生活和工作中越来越多地应用到位置服务，而这一切的前提是定位。

定位技术方式也从单一地依赖全球定位系统发展到应用多种方式进行室内室外无缝定位。

无线通信技术的成熟和发展，促进了新型无线业务的出现，越来越多的应用都需要自动定位服务。

为了解决自动定位的问题，基于卫星通信的全球定位系统（GPS）出现了，其良好的定位精度解决了很多军事和民用的实际问题；但是当需要定位的物体位于建筑物内部（如办公大楼内），其定位精度就明显下降了。

因此，必须研究新的室内定位技术以弥补GPS的不足。

基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的Ｚｉｇｂｅｅ技术是一种新兴的低成本、低功耗、低速率的短距离无线通信技术。

随着Ｚｉｇｂｅｅ技术越来越多地被用于家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化和医疗护理等应用领域，基于ＺｉｇＢｅｅ网络的实时定位问题正日益受到关注。

本文介绍了几种室内定位技术，通过比较的得出ZigBee是最合适的室内定位技术，以及此种定位技术的优势。

关键词：

ZigBee室内定位技术无线通信

随着现代移动通信技术和无线网络的蓬勃发展，人们对无线定位的需求与日俱增。

接下来，就此进行个讨论。

1．无线定位技术的发展

无线定位服务是指通过无线终端和无线网络的配合，确定移动用户的实际位置信息，从而提供用户所需的与位置和方向相关的服务。

无线定位服务的发展始于美国。

１９９６年，美国联邦通信委员会￥ｌＪ定了Ｅ．９１１法规ＩＩＪ，要求所有移动通信运营商，在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作，并要求分阶段实施定位精度不断提高的用户定位服务。

１９９９年ＦＣＣ对Ｅ．９１１法进行修订，对定位精度提出新的要求，极大的促进了美国ＬＢＳ（ＬｏｃａｔｉｏｎＢａｓｅｄＳｅｒｖｉｃｅ）产业的快速发展。

此后，日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各种各具特色的商用定位服务。

这些服务主要应用于：

公共安全，如紧急救援；报警信息发布，跟踪业务，如犯罪嫌疑人的跟踪，走失老人和儿童的寻找，车辆的防盗报警，交通监控；基于位置的信息业务：

如车辆导航服务，城市观光；基于位置的信息发布等。

无线定位服务已经在军用、民用和商用领域证明了其重要性。

现今实用的定位系统多半基于ＧＰＳ技术，导致应用成本较高。

低成本、高可靠性的新型定位系统的研究开发变得非常紧迫。

另一方面，无线传感器网络（ＷＳＮ）可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。

因此，这种网络系统可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐、抗灾等领域，它是信息感知和采集的一场革命。

由于ＷＳＮ的低成本、便于大规模应用，使得以ｗＳＮ为载体的定位研究被给予了广泛的关注。

ＷＳＮ的定位机制逐渐成为其主要技术之一。

在无线通信协议体系中，ＩＥＥＥ８０２．１５．４是其中一种新兴的协议标准，因其优越性，它获得了快速的发展。

它确定了低速个人局域网Ｊ（ＬＲ．ＷＰＡＮ）标准，定义了物理层（ＰＨＹ）和媒体接入控制层（ＭｅｄｉａＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ，ＭＡＣ）。

２００３年，ＺｉｇＢｅｅ联盟在物理层和媒体接入控制层的基础上对网络层（ＮＷＫ）和应用层（ＡＰＬ）进行了具体定义，为用户提供了大量的ＡＰＩ函数，从而形成了完整的ＺｉｇＢｅｅ协议。

ＺｉｇＢｅｅ技术作为一种新兴的低成本、低功耗、低速率的短距离无线通信技术，它的独特技术特点使得其成为ＷＳＮ中的理想通信技术选择。

随着对ＺｉｇＢｅｅ技术研究的不断深入，大量的实用ＺｉｇＢｅｅ硬件、软件载体都相继被推出，使得基于ＺｉｇＢｅｅ技术的ＷＳＮ和定位技术获得了迅猛的发展。

尤其是基于ＺｉｇＢｅｅ技术的定位系统的研究与开发逐渐成为了一个研究热点。

2.其他典型室内无线定位系统

2.1室内GPS定位技术

ＧＰＳ是目前应用最为广泛的定位技术。

卫星定位的优点是定位精度较高，定位精度可以达到几米的范围，而且卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。

缺点是需要终端内置卫星接收模块，定位精度受终端所处的环境影响较大，而且定位器终端的成本较高。

当ＧＰＳ接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低，要想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的，甚至无法完成定位。

为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间，Ａ—ＧＰＳ（ＡｓｓｉｓｔｅｄＧＰＳ，无线网络辅助ＧＰＳ）技术为这个问题的解决提供了可能性。

室内ＧＰＳ技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，同时也有助于实现快速定位。

2.2室内WiFi定位技术

随着移动互联网业务的发展，涌现了如周边搜索等创新的业务，这些业务重视用户体验，对定位的时延要求很高，在移动终端发起定位请求的几秒钟内就要求有定位结果。

业务的使用场景也往往发生在没有GPS信号的地方。

同时业务对定位技术要求较高，此时，GPS定位无法满足使用区域和定位时延的要求，而WiFi定位技术由于其定位速度快、精度较高和能进行室内定位的特征，则是这种场景下的最佳选择。

在实际应用中，往往采用了以WiFi定位技术为核心的、融合了WiFi和扇区、GPS等多种信号源的混合定位技术。

目前Wi-Fi技术已经在现代生活中被广泛应用，无论是在咖啡厅等休闲场所还是政府公共场所，都能够随时随地连接与各大运营商的无线网络进行连接。

即使面对移动网络大军四面扑敌而来，Wi-Fi除了有既定的联机速度优势之外，也同样能够应用于定位技术。

　Wi-Fi定位技术能够弥补GPS的弱点，不仅能够强化GPS在室内定位不准或无法定位的缺点，同时又能够提供更完善的室内定位应用服务，以创造更大的商机及社会服务。

相比较之下，通过Wi-Fi来完成立即寻址的优势明显提高不少。

而Wi-Fi定位的原理是采用三角定位的方式，也就是通过移动设备和三个无线网络热点的无线信号交流，以便识别移动设备目前所在的位置，不过移动设备与三个无线热点之间的距离不尽相同，所以反应在无线热点上的移动设备信号强度会有差异，但仍可由差分进化算法，能够比较准确地定位所在位置。

但是在真正的实施与部署中，WiFi定位系统面临着一个极为严峻的问题，那就是广泛存在的运动中的WiFi接入点对系统的影响。

WiFi接入点的移动是不可避免的现实，所以只能通过采取手段将这种移动对定位数据库的损害降到最低。

而且只有在知道信号源在哪里之后，用户才能使用WiFi搜索器确定出自己的位置，因此，这是个需要解决的问题。

2.3传感器定位

在定位中加入传感器使很多新颖奇特的终端功能成为可能，也为很多感应应用提供条件。

如惯性传感器定位使用航迹推算方法可以实现连续无缝的定位,航迹推算方法涉及到三个因素：

步数、航向和步长。

步数与航向可以通过惯性传感器获得,数据处理与分析,得到较为精确的步数与航向,但是人行走时候的步长具有较高的随意性,固定的步长会影响定位的精度。

在终端上使用传感器可以提升用户的体验，使终端更“智能”。

但是其中有很多困难需要克服。

例如耗电量高、传感器精度不足、计算能力不足、外来修正信息不一定能保证精度和硬度本身会增加终端成本等。

另外，就是如果不进行定期地纠正，这种传感器定位方式可能会积累误差，使定位精度越来越坏。

3ZigBee定位技术

3.1ＺｉｇＢｅｅ定位技术研究现状和发展

伴随着ＺｉｇＢｅｅ技术的出现，基于ＺｉｇＢｅｅ技术的定位研究也随之展开。

国内外许多公司和研究机构展开了基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线定位技术研究。

总体而言，基于ＺｉｇＢｅｅ的无线定位问题的研究在国内才刚刚起步，主要还处于利用国外芯片应用开发上面。

国外在硬件芯片、协议栈、软件配套、定位算法理论研究上都实现了产品化。

不过在实际应用中，因各种外部环境的限制，许多算法存在有待改进的方面。

２００５年第一季度，各大芯片制造商纷纷推出了符合ＺｉｇＢｅｅ标准的收发模块和通信套件，但是目前只有４个原始设备生产商（ＯＥＭ）的ＺｉｇＢｅｅ套件符合ＺｉｇＢｅｅ联盟规定的标准。

这四家公司分别是挪威的ＣｈｉｐｏｎＡＳ（ＣＣ２４２０／ＣＣ２４３０和ＣＣ２５００／ＣＣ２５５０等）、美国ＣｏｍｐＸｓ公Ｎ（ＭＬ７０６５）、美国Ｅｍｂｅｒ公司（ＥＭ２４２０）、美国ＦｒｅｅｓｃａｌｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司（ＭＣｌ３１９２／ＭＣｌ３１９３）。

４个公司的芯片功能都各有其特点，适合于不同的应用场合。

其中主流的芯片为Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的芯片ＣＣ２４２０和ＣＣ２４３０，以及Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司的芯片ＭＣｌ３１９３。

基于ＺｉｇＢｅｅ技术的定位系统也以这些芯片为核心器件。

２００７年７月，德州仪器（ＴＩ）宣布推出业界首款带硬件定位引擎的片上系统（ｓｏｃ）解决方案ＣＣ２４３１，该芯片的出现实现了ＺｉｇＢｅｅ定位技术的飞跃，即将定位算法用硬件实现。

基于ＣＣ２４３１商品化的定位系统大量涌现。

国内如成都无线龙、深圳旭昂科技等公司也推出了自己成熟的定位解决方案。

3.2ZigBee定位解决方案

总体而言，目前存在两种ＺｉｇＢｅｅ定位解决方案。

（１）基于ＣＣ２４３１片上系统的单芯片定位方案

ＣＣ２４３ｌ在ＣＣ２４３０基础之上增加了基于ＲＳＳＩ的硬件定位引擎【１３，２８】，通过输入环境信息以及参考节点的坐标信息，即可输出未知节点的坐标，在典型应用中可以实现３～５ｍ的精确定位。

但由于其定位算法由硬件物理完成，导致基于ＣＣ２４３１的定位系统灵活性较差。

（２）ＣＣ２４３０／（ＭＣＵ＋ＣＣ２４２０）＋定位算法

利用ＣＣ２４３０实现网络中节点的信息传输，将定位方法嵌入芯片内部或在上位机集中处理，其定位算法可以灵活选择，本文就是使用ＣＣ２４３０芯片进行定位实现的。

3.3ZigBee技术特点

ＩＥＥＥ８０２．１５委员会制定了三种不同的ＷＰＡＮ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）标准，区别在于通信速率、ＱｏＳ能力等。

８０２．１５．１标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从蜂窝电话到ＰＤＡ的通信，其ＱｏＳ机制适合于话音业务。

８０２．１５．３标准是高速率的ＷＰＡＮ标准，适合于多媒体应用，有较高的ＱｏＳ保证。

８０２．１５．４标准也就是ＺｉｇＢｅｅ技术，目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和ＱｏＳ的要求不高。

3.4基于ＺｉｇＢｅｅ技术的室内定位系统研究与实现

选择ＺｉｇＢｅｅ技术进行项目开发，是基于其具有的诸多性能优点。

具体来讲，可总结如下：

（１）数据传输速率低。

ＺｉｇＢｅｅ技术的最大传输速率只有２５０ｋｂｐｓ，专注于低速率传输应用。

（２）设备省电，功耗极低。

ＺｉｇＢｅｅ技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达６个月到２年左右的使用时间。

（３）通信可靠性高，数据安全。

ＺｉｇＢｅｅ采用了ＣＳＭＡ．ＣＡ的避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；ＭＡＣ层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此通信可靠性高。

ＺｉｇＢｅｅ提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用ＡＥＳ．１２８，同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性。

（４）网络的自组织、自愈能力强。

ＺｉｇＢｅｅ网络无需人工干预，网络节点能够感知其它节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络。

ＺｉｇＢｅｅ网络增加或者删除～个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

（５）时延短，设备接入网络快。

通常时延都在１５ｍｓ到３０ｍｓ之间，因此设备接入网络和数据传送的延时时间很短，适合实时的监测和控制应用。

（６）成本低廉，工作频段灵活。

设备的复杂程度低，且ＺｉｇＢｅｅ协议是免专利费的，可以有效地降低设备成本。

ＺｉｇＢｅｅ的工作频段灵活，使用的频段分别为２．４ＧＨｚ（全球）、８６８ＭＨｚ（欧洲）及９１５ＭＨｚ（美国），均为免执照频段。

（７）网络容量大。

每个ＺｉｇＢｅｅ网络最多可支持６５０００个节点，也就是说每个ＺｉｇＢｅｅ节点可以与数万节点相连接，可以说网络容量极其庞大，尤其适用大规模无线传感器网络。

4.结论

ＺｉｇＢｅｅ技术的无线传感器定位网络受到越来越多的关注，应用也愈加广泛。

ZigBee定位技术与其他相比有一定的优势，适用于室内定位技术的使用。

参考文献：

李晓维，徐勇军。

任丰原．无线传感器网络技术．北京：

北京理工大学出版社，２００７

张洁颖，孙懋珩，王侠．基于ＲＳＳＩ和ＬＱＩ的动态距离估计算法．电子测量技术，２００７

宋文，王兵，周应宾．北京：

无线传感器网络技术与应用，２００７