ZigBee 定位解決方案

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當(dāng)今的射頻(RF)技術(shù)有望使上述設(shè)想成為現(xiàn)實。TIZigBeeRF設(shè)備中內(nèi)嵌的定位引擎可以與室內(nèi)GPS系統(tǒng)相媲美，其內(nèi)嵌的定位引擎使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的RF基礎(chǔ)設(shè)施來計算事物或人們所處的位置。與GPS相比較而言，定位引擎在單芯片RF收發(fā)器中與MCU集成在一起，成本也不及GPS硬件的十分之一，功耗也只是GPS硬件的一小部分。該定位引擎既可用于室內(nèi)，也可用于室外，而且只要有現(xiàn)成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，就無需安裝移動的接收天線。

典型的應(yīng)用包括：
遙控開/關(guān)房屋中所有房間的燈具；
跟蹤碼頭倉庫的集裝箱起運情況；
跟蹤網(wǎng)站的設(shè)備。

另外，當(dāng)新設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時，該定位引擎能夠確定其物理位置，因此定位引擎還能用于簡化無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置。

后臺設(shè)備
大多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都要求具備一種確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置的方法。因此在設(shè)備安裝期間，您需要弄清楚哪些節(jié)點相互之間直接進行數(shù)據(jù)交換，或者確定哪些節(jié)點直接與中央數(shù)據(jù)采集點進行數(shù)據(jù)交換。

當(dāng)通過基于軟件的計算方法來確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置時，我們就會考慮到市場化解決方案(marketsolution)。這些具體的計算方法是：節(jié)點首先讀取計算節(jié)點位置的參數(shù)，然后將相關(guān)信息傳送到中央數(shù)據(jù)采集點對節(jié)點位置進行計算，最后，又將節(jié)點位置的有關(guān)參數(shù)傳回至該節(jié)點。這就是典型的數(shù)據(jù)密集型計算，并且需要配置一臺PC或高性能的MCU。

這種計算節(jié)點位置的方法之所以只適用于小型的網(wǎng)絡(luò)和有限的節(jié)點數(shù)量，是因為進行相關(guān)計算所需的流量將隨著節(jié)點數(shù)量的增加而呈指數(shù)級速度增加。因此，高流量負(fù)載加上帶寬的不足限制了這種方法在以電池供電的網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

針對上述問題，CC2431采用了一種分布式定位計算方法。這種計算方法根據(jù)從距離最近的參考節(jié)點（其位置是已知的）接收到的信息，對節(jié)點進行本地計算，確定相關(guān)節(jié)點的位置。因此，網(wǎng)絡(luò)流量的多少將由待測節(jié)點范圍中節(jié)點的數(shù)量決定。另外，由于網(wǎng)絡(luò)流量會隨著待測節(jié)點數(shù)量的增加而成比例遞增，因此，CC2431還允許同一網(wǎng)絡(luò)中存在大量的待測節(jié)點。

本文中所提供的結(jié)果是根據(jù)對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的測量得出的，然而，這些測量結(jié)果同樣適用于基于IEEE802.15.4.構(gòu)建的更簡單的網(wǎng)絡(luò)。

定位引擎技術(shù)
定位引擎根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)中臨近射頻的接收信號強度指示(RSSI)，計算所需定位的位置。在不同的環(huán)境中，兩個射頻之間的RSSI信號會發(fā)生明顯的變化。例如，當(dāng)兩個射頻之間有一位行人時，接收信號將會降低30dBm。為了補償這種大的差異以及出于對定位結(jié)果精確性方面的考慮，定位引擎將根據(jù)來自多達(dá)16個射頻的RSSI值，開展有關(guān)的定位計算。其依據(jù)的理論是：當(dāng)采用大量的節(jié)點后，RSSI的變化最終將達(dá)到平均值。

在RF網(wǎng)絡(luò)中，具有已知位置的定位引擎射頻稱為參考節(jié)點，而需要計算定位位置的節(jié)點稱為待測節(jié)點。

要求在參考節(jié)點和待測節(jié)點之間傳輸?shù)奈ㄒ恍畔⒕褪菂⒖脊?jié)點的X和Y坐標(biāo)。定位引擎根據(jù)接收到的X和Y坐標(biāo)，并結(jié)合根據(jù)參考節(jié)點的數(shù)據(jù)測量得出的RSSI值，計算位置進行定位。

將定位技術(shù)納入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
一些采用定位引擎的應(yīng)用可能要求，放置若干個參考節(jié)點作為基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置不可或缺的一部分。ZigBee技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對家庭、辦公以及工業(yè)等應(yīng)用的無線控制。人們期望，隨著ZigBee設(shè)備在樓宇基礎(chǔ)設(shè)施中的安裝數(shù)量不斷增多，ZigBee將會在家庭和辦公自動化方面擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。

典型的辦公場所都會配置ZigBee設(shè)備，通過各辦公室和會議室中的溫度傳感器，控制溫度調(diào)節(jié)裝置以及A/C導(dǎo)管。同時，每個房間還會安裝由ZigBee控制的燈具開關(guān)和設(shè)備，而這些設(shè)備又易于作為定位引擎的參考節(jié)點。將ZigBee射頻作為ZigBee協(xié)議棧上的參考節(jié)點所需的代碼容量通常小于1Kb。

定位引擎從3至16個參考節(jié)點采集數(shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)對應(yīng)定位的位置進行計算。如果定位引擎從16個以上的節(jié)點接收到數(shù)據(jù)時，它則會將接收到的參考節(jié)點位置進行分類，然后采用16個參考節(jié)點中信號最強的RSSI值。

擴大覆蓋范圍
定位引擎的覆蓋范圍為6464米，然而大多數(shù)的應(yīng)用要求更大的覆蓋范圍。擴大定位引擎的覆蓋范圍可以通過兩種方法來實現(xiàn)：
提高參考節(jié)點的輸出功率，同時降低定位引擎計算結(jié)果的精度；
在一個更大的范圍布置參考節(jié)點，并利用最強的信號進行相關(guān)參考節(jié)點的定位計算。

由于第二種方法能夠在擴大定位引擎覆蓋面的同時而不犧牲定位的精確度，因此更為可取。這種方法具體的工作原理是：網(wǎng)絡(luò)中的待測節(jié)點發(fā)出廣播信息，并從各相鄰的參考節(jié)點采集數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些參考節(jié)點的信號強度，選擇信號最強的參考節(jié)點的X和Y坐標(biāo)。然后，計算與參考節(jié)點相關(guān)的其他節(jié)點的坐標(biāo)。最后，對定位引擎中的數(shù)據(jù)進行處理，并考慮距離最近參考節(jié)點的偏移值，從而獲得待測節(jié)點在大型網(wǎng)絡(luò)中的實際位置（請參閱圖1）。



為了達(dá)到最佳的定位范圍，當(dāng)布置參考節(jié)點時，應(yīng)同時考慮到室內(nèi)和室外環(huán)境中天花板/地板的吸附作用。最佳的方案就是使各節(jié)點處于相同的高度，并遠(yuǎn)離地面、天花板以及墻壁。在實際的部署過程中要達(dá)到這種要求，是比較困難的（如果可以實現(xiàn)的話）。因此，盡量將參考節(jié)點固定在天花板的高度或低于天花板的高度，并使天線倒置以使RF信號向外和向下傳輸，同時將待測節(jié)點（手持或固定于設(shè)備）放置在人的腰部以上和頭部以下的任何高度的地方（此處提到的高度是以人站立在該環(huán)境中為標(biāo)準(zhǔn)的）。節(jié)點的這種設(shè)置方法實現(xiàn)了天花板和地板吸附作用的最小化，同時將實現(xiàn)在該場所中的行人或物體之間的相互干擾的最小化。

定位引擎的精確性
為了確保定位引擎的室內(nèi)性能，在辦公環(huán)境中將采用具有8個參考節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。我們根據(jù)現(xiàn)有表面將參考節(jié)點置于辦公室的角落位置，如辦公桌椅表面或其他介于人的腰部和肩部之間的現(xiàn)有的表面。在圖2中，8個參考節(jié)點分別用A-H8個字母來命名。

在6個選定的位置采集定位估計值數(shù)據(jù)，每一位置的定位數(shù)據(jù)平均有20讀取點。相關(guān)測試結(jié)果請參閱表1。

在采集8個參考節(jié)點的數(shù)據(jù)后，然后將6個新增的參考節(jié)點添加到系統(tǒng)中。接下來，在4個相同的位置，重新進行定位估計測算，觀察這些新增的參考節(jié)點對定位估計值的影響。

14個參考節(jié)點的測量結(jié)果如表2所示。




當(dāng)節(jié)點位置進入網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍時，定位的精確性將明顯提高。而且，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置的參考節(jié)點增多時，定位的精確性也將會不斷提高。在本試驗中，增設(shè)6個參考節(jié)點后，四個位置的定位精確性都會有所提高，同時降低了各定位報告位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差（一致性）。

提高精確性
定位引擎采用來自附近參考節(jié)點的RSSI測量值來計算待測節(jié)點的位置。RSSI將隨著天線設(shè)計、周圍環(huán)境以及包括若干其他因素在內(nèi)的其他附近RF源的變化而變化。定位引擎將數(shù)個節(jié)點的位置信息加以平均。增加節(jié)點的數(shù)量，則可降低對各節(jié)點具體測試結(jié)果的依賴性，同時全面提高精確度。

無論在什么情況下設(shè)置參考節(jié)點，都會影響到定位的精確性，這主要是因為當(dāng)參考節(jié)點設(shè)置在離相關(guān)表面很近的地方時，會產(chǎn)生天花板或地板的吸附作用。因此，應(yīng)盡量使用在各方位都具備相同發(fā)射能力的全向天線。

結(jié)論
定位引擎實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)射頻的“房間式”精確性，而且功耗低，通信開銷也實現(xiàn)了最小化。另外，定位引擎技術(shù)還能運用現(xiàn)有的ZigBee基礎(chǔ)設(shè)施來確定網(wǎng)絡(luò)中的位置。諸如此類的信息可由用于追蹤目的的中央數(shù)據(jù)采集點輕松獲取，用戶也可使用該定位引擎技術(shù)完成樓宇內(nèi)的導(dǎo)航工作。


作者簡介
JarleBoe現(xiàn)為TI低功耗無線產(chǎn)品部工廠高級管理人員，加盟TI之前，他曾任職于Chipcon。他在半導(dǎo)體行業(yè)擁有超過10年的工作經(jīng)驗，并擔(dān)任過涵蓋技術(shù)與市場營銷部門的多個職位。Jarle畢業(yè)于挪威約維克學(xué)院(GjovikCollege.Norway)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。