【導(dǎo)讀】無線定位廣泛應(yīng)用在導(dǎo)航、測(cè)量、自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域。目前，以GPS為代表的。能耗等方面還不能完全滿足需求。近年來，新興的ZigBee技術(shù)為無線定位注入了新的。ZigBee技術(shù)的低功耗、低成本、高擴(kuò)展性的特點(diǎn)為構(gòu)建無線定位系統(tǒng)提供一種。本文以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，完成了一種無線定位方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。統(tǒng)中有三種設(shè)備，分別為參考節(jié)點(diǎn)、控制器和需要求得其位置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。中使用的測(cè)量參數(shù)為接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI。各設(shè)備中采用的ZigBee無線模塊為TI. 公司生產(chǎn)的CC2530，這種芯片直接支持RSSI技術(shù)。密度布網(wǎng)中，能進(jìn)行二維定位，判斷出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在平面中的準(zhǔn)確位置。根據(jù)對(duì)定位引擎的性能測(cè)試結(jié)果,提出改進(jìn)意見。本文為進(jìn)一步降低構(gòu)建定位網(wǎng)絡(luò)。的成本和實(shí)現(xiàn)樓層空間內(nèi)的定位提供了一種可行的解決方案。

　　

【正文】 行地計(jì)算出自己的位置，即把定位計(jì)算分散到每個(gè)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行。 集中式定位算法的優(yōu)點(diǎn)在于可以從全局的角度進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位，定位精度較高，而且所有定位過程中涉及到的計(jì)算都在中心控制節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行，只需使用存儲(chǔ)量大且運(yùn)算速度快的設(shè)備作為中心控制節(jié)點(diǎn)就可以解決定位問題。但是它的缺點(diǎn)也是很明顯的，與中心節(jié)點(diǎn)較近的 節(jié)點(diǎn)要頻繁的傳遞信息，這將增加這些節(jié)點(diǎn)電量的損耗，當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)電量耗完時(shí)，可能導(dǎo)致較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)無法與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。而分布式定位算法的優(yōu)點(diǎn)在于它的信息處理和計(jì)算分布到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)里進(jìn)行，這樣不但避免了中心控制節(jié)點(diǎn)的選擇，而且減少了傳感器節(jié)點(diǎn)電量的消耗，提高了定位的效率且延長(zhǎng)了設(shè)備的工作時(shí)間。但是這種定位算法缺點(diǎn)也有很明顯，就是定位的結(jié)果不是很準(zhǔn)確。 絕對(duì)與相對(duì)定位算法 絕對(duì)定位就是確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)位置，如經(jīng)緯度，這種位置是確定的。而相對(duì)定位則是先選取網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)作為定位的參考節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn) 的位置都是相對(duì)于該節(jié)點(diǎn)的位置而言的。 絕對(duì)定位的好處在于能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供確切的位置，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)位置的影響較小，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。相對(duì)定位的優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用方便，不需要復(fù)雜的坐標(biāo)信息，確定出的節(jié)點(diǎn)位置方便理解。 無線傳感網(wǎng) 絡(luò) 中基于測(cè)距的定位算法 由于本文所研究的算法屬于基于測(cè)距的無線傳感網(wǎng)定位算法。下面本文將介紹無線傳感網(wǎng)中幾種基于測(cè)距的定位算法，常見的幾種定位算法分別是：包圍盒定位法、基于 RSSI (接收信號(hào)強(qiáng)度 ) 定位法、基于 TOA (到達(dá)時(shí)間 ) 定位法、基于 TDOA (到達(dá)華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 23 頁 共 49 頁 時(shí)間差 ) 定位法和基于 AOA (到達(dá)角度 ) 定位法。 包圍盒定位法 包圍盒定位法 (Boundingbox Method)是最先運(yùn)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法，該定位法的定位誤差比較大，但是它具備很低的計(jì)算成本。這種定位方法通過利用節(jié)點(diǎn)之間距離的估計(jì)值繪制出一個(gè)重疊的矩形區(qū)域，最后將這個(gè)矩形區(qū)域的中心當(dāng)作未知節(jié)點(diǎn)的位置。 如 圖 31 所 示的是包圍盒定位法的原理圖。 圖 31 包圍盒定位法原理圖 如圖 31 所示， A 和 C 都是位置已知的錨節(jié)點(diǎn)， B 是需要定位的未知節(jié)點(diǎn)。通過測(cè)量距離可以得到節(jié)點(diǎn) B 到節(jié) 點(diǎn) A 和節(jié)點(diǎn) C 的距離，在圖中分別用 和 來表示。分別以 A 點(diǎn)為頂 點(diǎn) 為邊長(zhǎng) ,和以 B 點(diǎn)為頂點(diǎn) 為邊長(zhǎng)作正方形，這兩個(gè)正方形會(huì)產(chǎn)生相交區(qū)域，如圖 31 中的陰影部分。包圍盒就是圖 31 中陰影部分的矩形區(qū)域。包圍盒矩形區(qū)域的對(duì)角線交點(diǎn)就是節(jié)點(diǎn) B 的估計(jì)位置。包圍盒定位法需要將錨節(jié)點(diǎn)放置在非對(duì)齊的位置。包圍盒定位技術(shù)的性能很大程度上依賴于錨節(jié)點(diǎn)放置的位置。如果錨節(jié)點(diǎn)放置在包圍盒的兩邊，則未知節(jié)點(diǎn)的定位就會(huì)取得很好的 效果。可以使用更多的錨節(jié)點(diǎn)使未知節(jié)點(diǎn)的位置精確化。包圍盒定位的計(jì)算復(fù)雜度與所使用的錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)成線性關(guān)系，因此這種方法的計(jì)算成本非常低，易于實(shí)現(xiàn)。 基于 RSSI 的定位法 RSSI（ receive signal strength indicator）即為接收信號(hào)強(qiáng)度指示。無線信號(hào)基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 第 24 頁，共 49 頁 在傳播過程中的一個(gè)重要特點(diǎn)就是信號(hào)強(qiáng)度值會(huì)隨著傳播距離的增大而減小。人們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，接收信號(hào)強(qiáng)度值與信號(hào)的傳播距離之間有著明確的關(guān)系。在實(shí)際的信號(hào)傳播過程中，可以利用 RSSI 值來確定信號(hào)的傳播距離。由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身 就具備無線信號(hào)收發(fā)功能，所以基于 RSSI 定位的技術(shù)具有低功率和廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。 在實(shí)際提供 RSSI 值測(cè)量的芯片中，信號(hào)在節(jié)點(diǎn)之間的傳播可以使用經(jīng)驗(yàn)的無線信號(hào)傳輸模型進(jìn)行模擬，即： (33) 為發(fā)送節(jié)點(diǎn) i發(fā)送信號(hào)后，接收節(jié)點(diǎn) j 接收到該信號(hào)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度值，單位為dBm， 為發(fā)送節(jié)點(diǎn) i 和接收節(jié)點(diǎn) j之間相距的距離。 為接收節(jié)點(diǎn)接收到與它相距的發(fā)送節(jié) 點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度值，單位為 dBm，通常情況下，選取 為 1m。 為路徑損耗指數(shù)，它與具體的環(huán)境相關(guān)。設(shè) A 為信號(hào)傳播了 1 米后的信號(hào)強(qiáng)度，則上面的無線信號(hào)傳輸模型可以改寫為： (34) 通過式 （ 34） 可以看出，參數(shù) A 和 決定了接收信號(hào)強(qiáng)度值和信號(hào)傳播距離之間的關(guān)系。 基于 RSSI 定位法就是通過 RSSI 值估算出收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)的位置對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行定位。該算法的定位原理如圖 32 所示， A、 B 和 C 都是錨節(jié)點(diǎn)，位置分別為 、 和 ， M點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)，設(shè)它的位置為 (x, y)。M點(diǎn)向 A點(diǎn)、 B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)分別發(fā)送數(shù)據(jù)包，設(shè) A 點(diǎn)接收到 M 點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)， 值為 ， B 點(diǎn)接收到 C 點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)， 值為 ， C點(diǎn)接收到 M 點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)， 值為 。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 25 頁 共 49 頁 圖 32 基于 RSSI 定位原理圖 根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度值與傳輸距離的關(guān)系可以將 、 和 分別轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的距離 、 、 ,那么就可以建立方程 (35) 解 (35)的方程組可以得到 (x,y)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn) C位置的確定。 基于 RSSI 的定位技術(shù)既不需要在系統(tǒng)中增加額外的硬件設(shè)施，也不需要 節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，該定位方案看似十分具有應(yīng)用前景。但是影響 RSSI 值的因素有很多，例如多徑衰減，非視距的影響等，即使發(fā)送方和接收方的位置不改變，每次測(cè)距都可能產(chǎn)生很大的差異。另外，也有可能節(jié)點(diǎn)上使用了未經(jīng)校準(zhǔn)的無線收發(fā)裝置，這也使得在不同設(shè)備上使用相同的方式發(fā)射信號(hào)，而在接收端測(cè)得不同的 RSSI 值。因此基于 RSSI 的測(cè)距抗外界干擾的性能不強(qiáng)，隨著外界情況的惡化，測(cè)得的距離與真實(shí)距離偏差較大，從而會(huì)造成很差的定位效果。 基于 TOA 的定位法 TOA(Time Of Arrive)即為到達(dá) 時(shí)間?；?TOA 定位法就是利用無線信號(hào)在節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時(shí)間來測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間距離，然后對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。該定位法的原理圖如圖 33 所示。 圖 33基于 TOA 定位原理圖 圖 33 表示在二維平面內(nèi)，用三個(gè)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。 A、 B 和 C 都是錨節(jié)點(diǎn)， 位置分別為 : 、 和 ， M點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)，設(shè)它的位置為 。 M節(jié)點(diǎn)在 時(shí)刻向 A、 B 和 C 廣播一個(gè)數(shù)據(jù)包，三個(gè)錨節(jié)點(diǎn) A、 B 和 C 接基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 第 26 頁，共 49 頁 收到該數(shù)據(jù)包的時(shí)刻分別是 ， , 。設(shè)電磁波在空氣中的傳播速度為 C，那么未知節(jié)點(diǎn) M 和錨節(jié)點(diǎn) A 之間的距離為 。同理可得未知節(jié)點(diǎn) M 與錨節(jié)點(diǎn) B 和錨節(jié)點(diǎn) C 之間的距離分別為 和 。這樣就可以建立方程組： (36) 求解方程組 (36)可以得到未知節(jié)點(diǎn)的位置。 通過以上的描述可以看出，基于 TOA 的定位法不但 要求知道兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳輸信號(hào)的準(zhǔn)確時(shí)刻，而且還要求定位系統(tǒng)有著精確的時(shí)間同步。時(shí)間同步也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方面。 GPS 系統(tǒng)就是采用基于 TOA 的定位法，它的特點(diǎn)是能夠精確同步，但是造價(jià)昂貴且耗電量較大。 如果忽略獲取距離的方式，基于 RSSI 的定位法和基于 TOA 的定位法在原理上是相同的，這種方法叫做三邊定位法。三邊定位法是一種精確的定位方法，通過分別測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)不在同一直線上的錨節(jié)點(diǎn)的距離，再結(jié)合三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息就可以得出未知節(jié)點(diǎn)的位置信息。分別以三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)為圓心，錨節(jié)點(diǎn)到未知 節(jié)點(diǎn)的距離為半徑作圓，這三個(gè)圓將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交點(diǎn)，該交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)所在的位置。圖 34 給出了三邊定位法的原理圖。 圖 34三邊定位法的原理圖 基于 TDOA 的定位法 TDOA(Time Different Of Arrive)即為到達(dá)時(shí)間差，基于 TDOA 的定位法本質(zhì)上屬于距離差定位算法。距離差定位算法通過測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離差值，從而對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。距離差定位算法其實(shí)就是定義一個(gè)以錨節(jié)點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 27 頁 共 49 頁 線，進(jìn)行多次的距離差測(cè)量，就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)這樣的雙曲線。未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置就在這 些雙曲線的相交區(qū)域。 從上面對(duì)于基于 TDOA 的定位算法介紹中可以看出：利用 TDOA 的定位算法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置估計(jì)首先需要通過提取時(shí)間信息，獲得未知節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息到達(dá)兩個(gè)不同錨節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差測(cè)量值。其次，需要將該時(shí)間差測(cè)量值轉(zhuǎn)化成未知節(jié)點(diǎn)到這兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離差，這樣就可以利用已知信息建立起雙曲線方程，通過求解雙曲線方程組成的方程組能夠得出未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。很明顯，未知節(jié)點(diǎn)不需要與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，只需錨節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行同步即可，這將會(huì)極大地簡(jiǎn)化定位的復(fù)雜度。 下面本文將介紹 TDOA 定位算法中到達(dá)時(shí)間差的提取 和雙曲線方程的建立。假設(shè)有 N 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，并且它們和未知節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)平面內(nèi)，如圖 35 所示。 圖 35 TDOA 定位原理圖 圖 35 中表示的是在二維平面內(nèi)，使用 N 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的情況。N 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 ，其中 。未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為 。未知節(jié)點(diǎn)向這 N 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)接收到該數(shù)據(jù)包的時(shí)刻為： ，其中 。假設(shè)錨節(jié)點(diǎn) 1 離未知節(jié)點(diǎn)最近，它是第一個(gè)接收 到未知節(jié)點(diǎn)信號(hào)的。由坐標(biāo)關(guān)系可知，未知節(jié)點(diǎn)和第 i 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離 可以表示成： （ 37） 設(shè) 為未知節(jié)點(diǎn)與第 i 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)和第一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離差，則： （ 38） 式中， c 為電磁波在自由空間中的傳播速度，值為 ， 為未知節(jié)點(diǎn)基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 第 28 頁，共 49 頁 發(fā)送的信號(hào)到達(dá)第 i 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與第一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差， 為第 i 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)之間的距離。這樣就可以得到 個(gè)雙曲線方程組成的非線性方程組。一般來說，用傳統(tǒng)解方程組的辦法求解上面的非線性方程組是非常復(fù)雜的，可對(duì)它們進(jìn)行線性化處理。由式（ 37）可以得到： (39) 設(shè) ，則： (310) 再對(duì) 式 (38)進(jìn)行重新整理可以得到： (311) 將等式 (311)兩邊平方，再進(jìn) 行整理可以得到： (312) 由式 (310)可得： (313) 把式 (310)和式 (313)帶入式 (312)，整理可以得到： (314) 其中， , 。將 x, y, 當(dāng)作未知數(shù)，則式（ 314）就表示成了一個(gè)線性方程。通過以上處理之后，可以利用解線性方程組得到未知節(jié)點(diǎn)的 估計(jì)位置。 由以上對(duì)基于 TDOA 定位的分析可知，該定位算法不需要考慮節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間原點(diǎn)的同步問題，那么該算法只需考慮節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘頻率偏移即可。也有的文獻(xiàn)中指出到達(dá)時(shí)間差的測(cè)量是通過測(cè)量?jī)煞N不同傳輸速度的信號(hào)到達(dá)同一地點(diǎn)的時(shí)間差異，將其轉(zhuǎn)化成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，這不是本文所討論的概念。 基于 AOA 的定位法 AOA(Angle Of Arrive)即是到達(dá)角度。基于 AOA 的定位法是當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)時(shí)，通過利用天線陣列判斷信號(hào)源的方位，繼而進(jìn)行定位。基于 AOA 的定位法原理上就是華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 29 頁 共 49 頁 三角定位法。 三 角定位法主要是利用天線測(cè)得未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的角度關(guān)系，然后根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)的位置確定出未知節(jié)點(diǎn)的位置。下面將介紹三角定位法，三角定位法的原理如圖36 所示。 圖 36 三角定位法原理圖 圖 36 中， A、 B、 C 都表示位置已知的錨節(jié)點(diǎn)， D 表示的是未知節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn) A， B，C 的坐標(biāo)分別為 : 、 和 。假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為 。未知節(jié)點(diǎn)D 相對(duì)于錨節(jié)點(diǎn) A， B， C 的角度分別為 ，這三個(gè)角度可以通過 天線測(cè)量出來。對(duì)于節(jié)點(diǎn) A，節(jié)點(diǎn) C 和 來說，如果弧段 AC 在三角形 ABC 內(nèi)，那么能夠唯一確定一個(gè)圓，如圖中的圓 ，假設(shè)圓心 的坐標(biāo)為 ，半徑為 。而。那么可以得到以下方程組： (315) 可以通過解 (315)的方程組可以得到圓心 的坐標(biāo)和半徑。同理可以分別得到圓和圓 的坐標(biāo)和它們的半徑。最后通過利用圓心 ， ， 和三邊定位法原理可以確定未知節(jié)點(diǎn) D 的坐標(biāo)。 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 第 30 頁，共 49 頁 4 基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 任何無線定位功能的實(shí)現(xiàn)都是基于某種無線通信網(wǎng)絡(luò)的，以 ZigBee 技術(shù)為載體的定宜同樣也是基于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的。本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)就是在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，針對(duì)樓道及辦公室環(huán)境的定位跟蹤應(yīng)用，通過定位跟蹤室內(nèi)人員、物品 (貴重設(shè)備、醫(yī)療器械等 )來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。對(duì)定位環(huán)境模型進(jìn)行適當(dāng)修改后 ，也可應(yīng)用于礦井巷道等其它環(huán)境中。 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 41 所示。無線傳感器定位網(wǎng)絡(luò)中存在 3 種功