??? 摘? 要： 介紹了ZigBee定位的基本原理和實現方法，并結合實驗結果分析其優缺點。
??? 關鍵詞： ZigBee；定位；RSSI；LQI
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目前比較成熟并得到大范圍應用推廣的無線定位技術是GPS衛星定位系統，但在室內定位和市區多遮擋的情況下定位，GPS的效果差強人意，需要有其他的定位技術去彌補GPS的不足。現在人們對室內定位系統的需求也與日俱增，機場、展廳、寫字樓、倉庫、地下停車場、監獄、軍事訓練基地等都需要使用準確的室內定位信息。
1 ZigBee簡介
ZigBee是一種新興的短距離、架構簡單、低消耗功率與低傳輸速率無線通訊技術，其傳輸距離約為數十公尺，使用頻段為免費的2.4 GHz與900 MHz頻段，傳輸速率為20 Kb/s至250 Kb/s，網路架構具備Master/Slave屬性，并可達到雙向通信。
RSSI：鏈路信號強度
節點：無線網絡模塊，是構成ZigBee無線網絡基本單位，擔負路由、終端、RSSI指示等功能。
參考節點：無線網絡模塊，固定于定位區域，作為參照系與移動節點一起對該移動節點進行定位。
移動節點：簡易無線網絡模塊，由移動目標攜帶，如礦工，在定位區域移動，與參考節點一起對自身進行定位。
LQI(Link Quality Indicator)：鏈路信號質量[1]。
2 定位系統的構成
無線定位網絡：利用ZigBee無線網絡模塊，根據實際應用環境合理布局，組成一套ZigBee無線定位骨干網絡，網絡形態可以是鏈狀或網狀拓撲。定位網絡中的參考節點將接收到移動節點信息(RSSI和LQI)，傳送到上位機進行處理。
移動節點：利用低價ZigBee無線模塊(只完成無線收發不需要網絡功能的RFD模塊)，制成一個便攜式的移動裝置。
定位應用算法：上位機對無線網絡傳送回來的移動節點信息，用一定方法進行解算，得到移動節點的位置信息。上位機對該位置信息進行存儲、顯示等處理。
3 定位原理與方法
從算法采用的手段來看，ZigBee定位算法可以分為兩大類：基于距離的算法和非基于距離的算法。基于距離的算法通過測量節點間的距離或角度信息，使用三邊測量、三角測量或最大似然估計定位法計算節點位置。常用的測距技術有RSSI、LQI；非基于距離的算法則不需要距離和角度信息，算法根據網絡連通性等信息來實現節點定位[2]。
本實驗采用的定位算法前三種主要是基于距離的算法，在已知發射功率的情況下，在接收點測量接收功率，通過測量接收到的信號強度可以推算出移動節點到參考節點的距離。第四種是非基于距離的算法。
在定位過程中，需要利用ZigBee兩個關鍵技術：(1)ZigBee節點的標識。每個ZigBee節點都有64位的永久地址，作為其唯一性標識。可以將這個地址映射為對應用層有意義的名字，從而可對每個節點進行身份辨認。(2)定位判定。位置判斷的依據為無線信號參數LQI，位置判斷的精度取決于路由節點分布的密度。
定位的過程和計算主要有四種方法：
(1)網格定位。如圖1所示，將ZigBee定位參考節點，以等間距布置成網格狀，移動節點分別接收到與參考節點間的LQI，用LQI計算出到相鄰節點的距離，用三角函數方法計算移動節點的坐標[3]。
這里舉一個例子來計算坐標值。假設參考節點和定位節點的位置如圖1所示。
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從分布圖中可以看出，如果在理想的情況下，與定位點最近的4個參考點分別是A1、A2、A4、A5，最近的三個參考節點是A1、A4、A5。根據三角公式可求得：P點的X坐標為17.0125；P點的Y坐標為12.9875。這樣就計算出了一組定位節點坐標：(12.9875，17.0125)。
??? (2)一點信號強度定位。移動節點在不同的位置接收信號時，因距參考節點距離遠近的不同，所收到的信號強度也不同。當移動節點接收到最近的參考節點的LQI值后，通過計算或比照，確定移動節點的位置。以參考點為原點坐標，單位m，參考節點距離30 m，如表1所示。
(3)兩點信號強度定位。移動節點接收到相鄰兩個參考節點信號，計算其差值，確定移動點位置。其中LQIA為參考節點A的LQI值，LQIB為參考節點B的LQI值，以參考節點A的位置為坐標原點，單位m，參考節點距離30 m。結果如表2所示。
??? (4)固定點定位。將收到最大LQI值的那個節點的位置，當作為移動節點位置。此方法需要較小的網絡節點間距，精度也較低。
4 定位效果
(1)關于網格定位法。參考節點間距設為20～30 m，參考節點數為4~8塊。參考節點數多，間距小，效果較好，精度較高，反之效果較差。經實驗，估算精度為3～5 m，但有位置跳躍現象。
該定位法依賴于較開闊的場地，如大型倉庫等，不適用于煤礦井下巷道等場合。
(2)LQI值與距離的關系。從圖2中我們可以觀察到幾點規律：①LQI值隨距離增加，呈衰減趨勢；②曲線在20 m后逐漸平坦，30 m后趨于水平；③曲線在約8 m附近有一個凹陷，該點最低LQI值有可能低與34 m處LQI值；④在任一距離上，LQI值變化幅度很大，例如，在40 m處LQI值最低為5，最高為32，各距離上最大變化幅度大于30。
??? (3)利用LQI的定位效果
實測數據與該曲線相似，只是LQI變化幅度更大。分析原因是供貨商所使用的測試環境較為理想，而我們的測試環境里，環境干擾較大。
利用LQI強度參數計算移動節點的距離，需要依靠LQI參數的線性規律、穩定準確的LQI信號值以及曲線有一定斜率。由以上分析，我們可以得出以下結論：①超過30 m后，LQI強度曲線趨于平坦，故定位距離不能超過30 m；②LQI強度曲線線性特征不好，其中8 m附近的凹陷較為致命；③利用LQI強度值定位誤差較大，最大誤差約23 m。④LQI信號的不穩定性對兩點信號強度定位法的影響更大，以致誤差更大。圖3為實測數據曲線。
??? (4)固定點定位的效果較為理想。移動節點在移動過程中，當經過某參考節點時，能準確捕捉到臨近參考節點的LQI信號的最大值，通過合理設置信號門限，確定離移動節點最近的參考節點，進而實現定位。該移動節點未到達另一參考節點之前，系統認為移動節點仍在原來位置。該方法可適應較復雜環境，定位可靠，缺點是定位精度不高，定位精度相當于參考節點的間距。
5 LQI信號強度不穩定之淺析
(1)該器件工作在2.4 GHz，波長約13 cm，屬分米波范圍，反射、折射效應較強。LQI強度會受到多徑干擾影響。
(2)該器件是微功耗器件，空間信號強度很低，在受到遮擋時，信號衰減較大。
(3)ZigBee所采用直接序列擴頻技術，其信號強度在空間的分布是非線性的。
在實驗中，我們采用了固定點定位法，并取得了較好的定位效果。移動節點定位可靠，定位性能穩定。但同時也應注意到該定位法定位精度較低，如果想提高定位精度，必須提高參考節點的密度，這不利于控制應用系統的成本。
該系統網絡中，遠端的信號是通過充當路由的參考節點，一級一級傳送回上位機的。根據經驗，路由級數最大只能到二十幾跳。如果定位精度要達到50 m，必須每50 m設置一個參考節點，那系統的最大定位范圍是1 km；如果定位精度要達到10 m，系統的最大定位范圍只有200 m，實用性不強。
參考文獻
[1] 李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.
[2] 呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[3] 李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.