基于ZIGBEE技术的室内定位算法研究及应用

1、引言
近年来人们对于定位技术的兴趣日益增长，并将其用在了各行各业。但现存的定位系统，如GPS通常都是在室外工作的，在密集建筑物及室内环境下，由于GPS接收器和卫星之间的信号被阻挡，其性能会变得很差[1]。而室内定位技术可以满足人们日益增多的室内环境下高精度定位的需求。
以前，室内定位可以使用超声波和红外线[2]技术来实现，随着无线传感器网络技术的发展，基于ZIGBEE技术的室内定位方法越来越受到人们的重视。
2、ZIGBEE
2.1无线传感器网络
随着无线通讯、处理器、低功耗高集成数字电路、微机电系统、片上系统等技术的发展，无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)得以产生，其中包含大量的小尺寸、低功耗、低成本传感器节点。[3]这些传感器节点要么相互之间可以通信，要么可以与外部基站直接通信。传感器节点通常是分散在一个区域里，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，彼此协调传输物理世界的信息。
2.2ZigBee技术
ZigBee是一种新兴的基于IEEE802.15.4标准的低功耗无线网络技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。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，它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee标准是由ZigBee联盟制定的，联盟成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟开发了安全层，对网络层和应用层进行了标准化。ZigBee协议栈结构如图1所示。
ZigBee网络包含三种设备类型：协调器、路由器和终端设备。协调器负责启动整个网络，是网络的第一个设备。路由器的主要功能是中转终端设备的通讯，由于其一直处于活动状态的，因此必须使用主电源供电。终端设备直接与传感器相连，负责数据采集，由于其可以休眠，因此只需电池供电。ZigBee网络节点从器件上又可以分成两类，一类是全功能器件，另一类是简化功能器件。全功能器件可以作为网络协商者，并且可以和任何一种设备进行通信。它拥有足够的存储空间来存放路由信息，处理能力也更强，主要起到网关的作用。简化功能器件不能成为任何协商者，它可以和网络协商者进行通信，实现简单。简化功能器件是最基本的传感器节点，用来捕获数据信息并传递给其范围内的网关节点。每个Zigbee网络节点可以支持最多31个的传感器和受控设备。
ZigBee技术成功的关键不在于技术本身，而在于丰富而便捷的应用。在使用GPS效果差的室内局部区域移动目标的定位应用方面，正好可以利用基于ZigBee技术的无线传感器网络来实现。
3、无线定位技术
无线定位技术是指通过对设备接收到的无线电波的参数如传输时间、相位、信号幅度(强度)及到达角等进行一些测量，然后根据特定算法计算出被测物体的位置，定位的精度取决于测量方法、精度以及所采用的算法。
无线传感器节点定位机制的常用方法是，网络中的少量节点可以知道自身的精确位置即作为锚节点，然后将这些锚节点作为参照基准，按照某种定位机制，对其他大量节点进行正确定位。锚节点是已知自身精确位置的节点，在网络节点中所占的比例很小，作用是协助移动或其他节点定位。移动节点与临近的锚节点交互，根据一定的定位算法计算出自身所在的位置。
目前已经有了大量关于无线设备间距离估计和定位的研究。在基于测距的定位算法中，现有的测量2个无线设备间距离的技术大致有：接收信号强度(RSS)、到达时间(TOA)、时间差(TDOA)和到达角度(AOA)，以RSSI和TDOA两种方法最为常用。
AOA：角度到达AOA的原理是根据基站发送信号到达移动节点接收信号的角度，利用角度关系来实现的定位，移动节点通过使用阵列天线或多个超声波接收器的结合，来进行信号到达方向的测量。[4]它是无线传感器网络中的一种测距技术，被应用在较高精度的定位系统中。但AOA技术容易受到外界环境的干扰，且需要额外硬件支持，在硬件的尺寸和功耗上不适用于大规模的无线传感器网络。
TOA：基于TOA的定位方法通过估计法计算无线传感器节点的距离，根据信号的传播速度和传播时间来计算的。我们只要测量出信号发射的时间和接收到信号的时间，两个时间差就是信号传播的时间，这样就可以估算节点间的距离了。最后再通过已有的定位算法来计算被定位节点的具体位置。TOA技术的应用会受到节点硬件尺寸、价格和功耗的限制，与无线传感器网络节点小型化、低成本和低功耗的要求是相反的。
TDOA：通常是在无线传感器节点上安装超声波和无线电信号收发器，这样接收信号节点就可以根据这两种信号到达的时间差来计算信号发射节点与接收节点之间的距离。已有多种定位算法使用TDOA实现测距，该技术的测距精度较RSSI高。相比TOA方法而言，TDOA方法只要求无线传感器节点之间满足时间同步要求，但它同样存在加装额外装置导致成本和能耗偏高的问题。
RSSI：通过接收到的信号能量损耗来测定发送点与接收点之间的距离，进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术。其只需要两个节点，不需任何附加节点就可以完成距离的估算，无需额外的硬件设备，满足无线传感器网络低功耗、低成本的要求。但其信号的传播会受到周围环境的影响，如温度、障碍物等对信号损耗程度就会造成很大影响，此外无线传输芯片所使用的天线也在很大程度上会对传播信号产生一定的影响，导致精度会降低，如果使用合适的算法，则可以达到较理想的应用效果。
4、室内定位
在室内定位应用方面，RSSI技术受到了更多的关注。主要因为其应用比较简便，在部署无线传感器网络时容易实现，通常只需要软件的修改。而指纹识别定位算法是目前RSSI使用最广泛的算法。指纹识别定位算法具有良好的性能，从而变得越来越流行，可以提供高精确度的定位。这种算法可分为两个过程：离线校准阶段和在线定位阶段。离线校准阶段的主要工作是在需定位区域内的若干个测量点位置进行接收信号强度测量，连同这些测量点的位置信息一同保存到数据库中，这些被保存的信息即为“位置指纹”。在线定位阶段是将实时测量的信号强度信息与位置指纹数据库中的信息进行比较，采取匹配算法，将信号强度最接近的位置作为估计位置。
例如在地下停车场中车辆定位和监控是很重要的，在矿井下人员的定位也很重要，这些都是典型的室内定位的例子。都可以使用基于ZigBee的无线传感器网络来实现定位，而基于RSSI指纹算法可以显著提高室内环境的定位精度。
5、结语
目前，常见的定位技术有很多，在基于ZigBee的无线传感器网络室内定位应用方面，考虑到成本、定位精度、环境适应性等各种情况，应该选择RSSI以及指纹识别定位算法来实现节点的定位。并且还可通过多种定位算法的结合、互补来进一步减小定位误差，增加节点的定位精度。