冯业伟

【摘要】 本文基于无线网络的室内定位系统相关技术进行了深入的研究和分析，对基于ZigBee的室内定位平台的组成和相关定位算法进行了详细的介绍，最后给出了一套完善的室内定位系统软件的设计思路，该系统具有非常好的扩展性和定位精度，对室内定位技术的研究发展具有一定的参考意义。

【关键词】 无线网络 室内定位 ZigBee 定位引擎

一、前言

随着计算机技术的快速发展和通信网络的普及，室内家电设备的单片机化和智能化得到了快速的拓展，促进了无线定位、组网技术、数字家庭等现代化理念不同程度的融入到人们的日常生活中来，提高了居家生活的自动化水平。无线技术的快速发展和不断成熟对新型无线业务的发展提供了条件，随着社会的发展，需要使用定位功能的应用越来越多。为了有效解决各类应用的自动定位问题，人们首先研发了基于卫星的全球定位系统，这种系统的定位精度较高，在军事领域解决了很多问题。但是，如果需要定位的设备位于室内时，这种定位方式的精度会显著下降。因此，需要对新的更优良的定位技术进行开发和研究，以弥补全球定位系统的不足。

到现在为止，比较常见的定位技术包括无线局域网、红外线、RFID和超声波技术等。已经应用到实际环境中的典型系统包括E-911、LANDMARC、Activebadge等，这类系统在工作原理和开发成本上都存在很大的区别，同时，不同系统的定位精度也存在不同。但是，如果只考虑室内移动设备的定位研究，则主要包括基于网络的和基于移动设备的方式。前者主要是根据不同的参考基站与移动设备的通信信息，并结合网络拓扑来计算设备的实际位置；后者则是根据移动设备当前与以前的和其通信基站的交流信息进行对比，来对设备的自身位置进行计算，GPS就是该领域最常用的应用。无线网络定位技术是使用无线射频信号或红外线信号等传输媒体构成的网络通信系统，因为不使用有线介质，因此能够满足网络用户随身化的需求。当前的短距无线技术主要包括无线局域网技术、蓝牙技术、ZigBee技术、NFC传输技术和超宽带技术，尤其是ZigBee技术已经成为领域研究的热点。和其他的技术对比，ZigBee具有低功耗、低速率和低成本的优秀特点，填补了当前无线通信领域的市场空缺，该技术的成功关键不只是因为本身的技术优势，还在于其功能的丰富性和使用的便捷性。所以，本文基于ZigBee技术，对高定位精度、高使用便捷性的室内定位系统进行了研究。

二、室内定位系统研究

2.1硬件设计

本室内定位系统的设计主要包括控制单元和基于ZigBee技术的无线通信网络系统两大部分构成。其中，系统控制单元主要是用来对定位数据和网络中的各个节点信息进行记录的构件。比较常见的控制单元包括ARM控制器和个人计算机等。但是，通常情况下，二者都不具有嵌入式的射频收发功能。所以，在实际的使用过程中，还需要和外部射频模块相连接。

基于ZigBee技术的无线网络主要使用IEEE802.15.4标准及ZigBee技术网络协议，该无线传输网络主要包含1个网关（该网管是ZigBee网络的的协调器，主要对整个无线网络服务的定位进行控制和协调，另外还对网络的当前状态进行检查）、不少于3个的参考节点（参考借点是位置已知的设备节点，而且要求该设备的物理位置保持固定不变）、以及定位节点（定位借点的位置会随着位置的变化而变化，详细的位置信息基于接收的参考节点位置，并通过硬件定位引擎的计算得到的）。

本系统在设计过程中，网关和参考节点使用CC2430射频芯片，定位节点使用支持2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee协议的、具有定位引擎硬件的CC2431射频芯片，控制器使用Samsung的处理器S3C2410。在数据的传输和处理过程你高中，网络节点间使用无线传输模式，而控制器和网关之间则使用串口通信的方式。

2.2定位算法概述

定位系统在接收到几个参考节点发出的信号以后，定位节点要对所得信号的传播损耗进行独立的计算。然后根据经验模型和理论化依据，把计算结果转化为实际的有效距离，最后再使用已有的算法对定位节点的真实位置进行定位。

接收信号的强度理论值计算公式为：

RSSI=-（10n*lgd+A）

其中，d表示设备到发射器之间的长度；n表示信号的传播常量；A表示1m处位置接收信号强度。

从公式中可以明显的发现，信号的强度与到发射器间的有效距离成对数衰减关系，定位节点和发射器间的长度离得越近，则信号强度偏差所产生的绝对距离误差就会越小。当这一距离到达某一个特定的数值以后，由RSSI波动造成的绝对距离误差就会显著的增大。

在实际的使用过程中，室内定位节点会使用较大的RSSI值的前面几个参考节点进行定位计算，这样能够有效降低系统带来的定位误差。这一硬件技术的要求比较低，使用的算法也相对简单。但是，由于定位设备所处的环境会经常变化，因此在实际的使用过程中要进行改进。

与一些常见的定位技术相比，CC2431定位引擎的定位速度快、定位精度高，而且在定位过程中不占用过多的处理器时间，因此可以作为本系统设计过程中的定位模块。

2.3软件系统介绍

本系统的开发主要基于Linux系统平台，在程序开发环境中对定位系统的图形化操作界面、信息展示界面和定位图形监控界面进行编写，并将其移植到控制单元ARM中。

在设计系统的串口程序过程中，需要首先建立一系列的数据发送和接收线程，在主函数中要使用信号机制实现数据的时时传递。详细的系统操作流程如下图所示：

三、结论

定位技术是无线网络技术在室内应用的主要支撑技术。该技术是对GPS技术的扩展和补充，在医疗救助、设备监测、物流跟踪、火灾报警等领域具有非常迫切的市场需求，因此具有广阔的市场应用前景。本文主要根据最近几年来的室内定位研究成果，对室内定位系统的设计思路和定位技术的模型分析进行了总结和归纳，对定位系统的硬件结构、定位算法和基本定位流程进行了研究和设计。由于室内楼层之间存在很多不确定的因素，而且定位数据的传输较其他环境也具有更大的复杂性，所以，对室内定位系统的研究必然会成为未来定位技术的研究热点。未来的室内定位技术要以高定位精度、强适应性和对环境、时间波动的适用性为前提，并能够进行快捷的、方便的部署，这对系统的推广和应用十分重要。

参 考 文 献

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