CN102196560B - 一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法，首先有效的通过与参考节点之间的距离和信号强度之间的关系作为参考，通过多次信号强度RSSI值做均值来进行未知节点的位置信息；然后利用参考节点与未知节点之间信号传递的时间来估算未知节点至参考节点的距离，通过多次信号传递的时间均值得到未知节点的位置信息；最后赋予以上所得的两种位置信息不同的权重来进行未知节点位置距离的校准来获取高精度的准确定位信息。该高效的高精度方法适合用于无线网络通信的节点的位置定位与跟踪应用，如对车辆、监狱的服刑人员、井下人员等进行跟踪和高精度定位。

Description

一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信下的网络节点定位方法，尤其是一种基于Zigbee网络的网络节点定位方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线通信是利用电磁波而不是通过线缆进行的通信方式，该通信方式已经渗入人民群众日常生活和国家经济发展的各个方面。其根据电磁波频率的不同，其通信协议和用途也大不相同，如中国移动GSM无线通信的890～960MHz、超市货物标签RFID无线通信的13MHz、无线广播、卫星通信等。

现代无线通信标准技术也在迅猛发展和完善之中，如3G通信标准(W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA)、4G通信标准(LTE)、蓝牙Bluetooth、Wi-Fi、Wimax、Zigbee等。其中Zigbee技术为一种新兴的近距离无线通信技术，由Motorala、Invensys、飞利浦和日本三菱电气在2002年10月共同发起并提出设计研究与开发，其优势在于低功耗、低体积、低复杂度、低速率、低成本。该项技术推出的同时，上述几家公司宣布成立Zigbee技术联盟，世界上各大公司和组织普遍看好Zigbee技术及其未来的应用潜力和价值，纷纷加入该技术联盟，使其不断地发展壮大。IEEE在2003年11月正式发布该项技术物理层和MAC层所采用的标准协议，即IEEE802.15.4协议标准，在2004年12月，Zigbee联盟正式发布了Zigbee技术标准，并在2007年进行了进一步的修订和完善，该标准的正式发布和完善，进一步推动和加速了Zigbee技术的实际应用。

随着半导体技术、计算机技术、通信技术和传感技术的飞速发展，物联网技术的研究与应用正在世界各地蓬蓬勃勃地展开。无线传感器网络作为物联网技术的感知层技术，在其发展起着至关重要的作用，因Zigbee技术特有的低功耗、低复杂度和低成本的优势，其无疑成为无线传感网络通信的首先技术，成功地应用到工业自动控制、智能电网等多个领域之中。

Zigbee网络由三种网络节点组成：网络协调器、路由节点、终端节点。网络协调器包含所有的网络消息，存储容量大、计算能力最强，发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不间断地接收消息；路由节点是网络中的中继，连接网络各个节点，延伸和扩展网络的覆盖范围和网络规模。终端节点是只能直接发消息给网络协调器和路由节点，所有采集的数据信息都经过该节点而进入Zigbee通信网络，对处理能力和内存的需求低，可进入省电模式。

网络节点的位置定位信息是Zigbee网络需求应用的重要组成部分。节点的位置信息的准确定位在Zigbee的应用中也同样非常重要，如用于井下人员管理时，当发生矿井灾难时，如何及时而准确知道被困人员的位置，就能够进行更加合理的搜救措施。正常情况下，Zigbee网络节点的无线覆盖距离不大于2千米，因此，节点的位置信息也只需要考虑2km的范围。目前，行业内通用的估算节点的位置信息的方法是基于RSSI接收信号强度指示来进行估算节点的距离，RSSI值随距离增加而减小，然而RSSI值受环境因素的影响比较大，在理想的空旷环境下，RSSI值能够准确地反映节点到参考节点的距离。但是现实应用中，环境总是错综复杂，信号的衰减总是与环境有着密切的关联，因此该方法也存在缺点，即在有多种障碍物的情况下，RSSI值波动比较大，无法有效准确反馈节点到参考节点的距离，RSSI与距离不存在严格的函数对应关系，因此也非常难由RSSI值精确计算两节点间的距离，总是存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于解决Zigbee网络下节点位置定位误差大、精度不高的问题，提供一种结构简单、定位准确、使用可靠的高精度节点定位方法。

本发明采用的技术方案为：利用节点间数据或信号传输的信号延迟来估算节点相对于参考节点的距离，并利用该距离来对基于RSSI接收信号强度指示估算节点的距离进行校准。

无线信号在空中接口上传输速率是固定的，其在空中的传输时延与节点至参考节点的距离成正比。当存在多种障碍物环境复杂的情况下，由于无线电磁波信号可能经过多种路径到达节点，而存在多径效应，时间以最先收到信号的路径长度为准，该路径为节点到参考节点的最短路径。因Zigbee技术旨在于不大于2km的近距离低速率无线通信技术，其所使用的频率在近距离范围内具有很强的穿透能力，最短路径也即是节点至参考节点的距离。

通过时间延时来估算出的节点位置与基于RSSI估算出的节点位置做比较，根据差值的大小了进行合适的校准，获取正确的节点定位信息。

一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据节点接收到参考节点帧数据来计算信号强度RSSI，连续计算n帧数据所得RSSI再求平均，公式为其中n≥1；

2)根据公式

计算出节点至参考节点的距离d1，其中D为本节点至参考节点为1米距离时接收信号强度，ε为信号路径损耗因子，即传播指数；

3）根据节点发送消息给参考节点再收到参考节点反馈的应答消息，计算出消息在空中的传输时延T_delay，连续计算m帧数据所得传输延时再求平均，公式为 $\stackrel{\‾}{T_{\mathrm{delay}}}=\left({\mathrm{\Σ}}_{k=0}^m{T}_{\mathrm{delay\; k}}\right)/m,$ 其中m≥1，

为第k个传输时延；

4）通过公式

来估算另一种节点至参考节点的距离d2，其中V为电磁波在空中的传播速率；

5）对步骤2）和步骤4）两种方法估算出的距离进行差值比较，根据差值的大小来计算权重，进而对估算出的距离进行校准，校准公式为 $d=d1\×(1-\frac{\frac{\min (d1,d2)}{2}}{\max (d1,d2)})+d2\×\left(\frac{\frac{\min (d1,d2)}{2}}{\max (d1,d2)}\right);$

6）同时计算四个参考节点至节点的距离d，由于四个参考节点的三维坐标已知，计算出该节点的位置坐标信息。

本发明技术方案的显著性进步和特点主要体现在：首先有效的通过与参考节点之间的距离和信号强度之间的关系作为参考，通过多次信号强度RSSI值做均值来进行未知节点的位置信息；然后利用参考节点与未知节点之间信号传递的时间来估算未知节点至参考节点的距离，通过多次信号传递的时间均值得到未知节点的位置信息；最后赋予以上所得的两种位置信息不同的权重来进行未知节点位置距离的校准来获取高精度的准确定位信息。该高效的高精度方法特别适合用于无线网络通信的节点的位置定位与跟踪应用，如对车辆、监狱的服刑人员、井下人员等进行跟踪和高精度定位。

附图说明

附图1为本发明的Zigbee网络节点拓扑图；

附图2为本发明的无线网络节点定位示意图；

附图3为本发明的Zigbee网络下节点定位顺序流程图。

具体实施方式

一种Zigbee网络中的高精度定位方法，涉及到Zigbee无线通信网络中的终端节点、路由节点和网络协调器，路由节点和网络协调器都可以作为为参考节点，其位置信息为已知，在部署网络规划的时候已经布置好，该高精度定位方法的特别之处在于：对传统的基于RSSI的定位方法基础上进行优化，通过两节点间数据或信号传输的时延来估算节点间距离，并利用该距离来对基于RSSI的定位方法所得的位置信息进行校准，得到高精度的未知节点位置信息，主要包括以下步骤：

1)未知节点MAC层记录消息或数据帧发送时的时间，该时间利用高精度的时钟粒度来记数；

2)MAC层将来自上层的应用数据作为本层的MSDU，在MSDU前部打上MAC头部信息，在尾部打上帧校验信息，整个封装成MPDU，通过使用PHY层提供的原语PD_Data.Request向PHY层请求发送数据至空口；

3)PHY层在接收到PD_Data.Request原语请求后，将来自MAC的MPDU数据作为本层的PSDU，在PSDU前部打上PHY头部信息，整个封装成PHY层的PPDU，并将该数据帧发送到空口进行传输；

4)PHY层通过PD_Data.Confirm原语通知MAC层，此次数据帧发送成功；

5)目的参考节点收到通过空口传输过来的数据帧后，将立即构造一个确认帧通过空中接口发送给未知节点，通知其已经收到数据；

6)未知节点收到确认帧后，通过采集信号的IQ数据来获取RSSI的值，并将RSSI值放入PD_Data.Indication原语中携带给MAC层；

7)MAC层记录该次RSSI值，同时获取当前时间的时钟计数，通过与步骤一中的时钟计数，通过做差值，并减掉数据帧从MAC层到空口的固定时延，从而得到数据或消息在空口的传输时延；

8)重复步骤一到步骤七，连续n次，常用n可为20；

9)根据保存的连续n帧数据所得RSSI再求平均，公式为

其中n的参考值为20；根据保存的连续n帧数据的传输时延T_delay所得再求平均，公式为

其中n的参考值为20；

10)根据公式

其中D为在1米距离接收信号强度，ε为信号路径损耗因子，即传播指数。此估算出的距离d1为节点至参考节点的距离;通过公式来估算节点至参考节点的距离，其中V为电磁波在空中的传播速率。对上面两种方法估算出的距离进行差值比较，根据差值的大小来计算权重，进而对估算出的距离进行校准，校准公式为 $d=d1\×(1-\frac{\frac{\min (d1,d2)}{2}}{\max (d1,d2)})+d2\×\left(\frac{\frac{\min (d1,d2)}{2}}{\max (d1,d2)}\right);$

11)：同时计算四个参考节点至节点的距离d，因四个参考节点的三维坐标已知，计算出该节点的位置坐标信息。

图1中圆圈表示终端节点，六角形表示路由节点，方框表示网络协调器。

综上所述，采用本发明后，能够比较准确而且高效地估算出未知节点到参考节点的距离，从而比较准确地定位该未知节点的地理位置信息。首先基于传统的RSSI方法估算出未知节点到参考节点的距离，防止信号抖动，采集多次求均值；然后基于信号在空中传输的时延估算出未知节点到参考节点的距离，防止信号抖动，采集多次求均值；赋予两种不同方法估算出的距离的不同权重，利用不同的权重来对距离做准确校正，从而得到相对高精度的位置定位信息。特别适用于Zigbee网络下移动终端节点的地理位置定位和跟踪，可应用于车辆、监狱的服刑人员、井下人员等进行跟踪和高精度定位等。由此可见，本发明具有显著性进步和优化提高的特点，其应用前景非常广阔。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例子而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与装饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据节点接收到参考节点帧数据来计算信号强度RSSI，连续计算n帧数据所得RSSI再求平均，公式为

其中n≥1；

2)根据公式

计算出节点至参考节点的距离d1，其中D为本节点至参考节点为1米距离时接收信号强度，ε为信号路径损耗因子，即传播指数；

3）根据节点发送消息给参考节点再收到参考节点反馈的应答消息，计算出消息在空中的传输时延T_delay，连续计算m帧数据所得传输延时再求平均，公式为 $\stackrel{\‾}{T_{\mathrm{delay}}}=\left({\mathrm{\Σ}}_{k=0}^m{T}_{\mathrm{delay\; k}}\right)/m,$ 其中m≥1，

为第k个传输时延；

4）通过公式

来估算另一种节点至参考节点的距离d2，其中V为电磁波在空中的传播速率；

5）对步骤2）和步骤4）两种方法估算出的距离进行差值比较，根据差值的大小来计算权重，进而对估算出的距离进行校准，校准公式为 $d=d1\×(1-\frac{\frac{\min (d1,d2)}{2}}{\max (d1,d2)})+d2\×\left(\frac{\frac{\min (d1,d2)}{2}}{\max (d1,d2)}\right);$

6）同时计算四个参考节点至节点的距离d，由于四个参考节点的三维坐标已知，计算出该节点的位置坐标信息。

2.根据权利要求1所述的一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法，其特征在于：在所述步骤1)中,信号强度RSSI的计算方法为:

11)未知节点MAC层记录消息或数据帧发送时的时间，该时间利用高精度的时钟粒度来记数；

12)MAC层将来自上层的应用数据作为本层的MSDU，在MSDU前部打上MAC头部信息，在尾部打上帧校验信息，整个封装成MPDU，通过使用PHY层提供的原语PD_Data.Request向PHY层请求发送数据至空口；

13)PHY层在接收到PD_Data.Request原语请求后，将来自MAC的MPDU数据作为本层的PSDU，在PSDU前部打上PHY头部信息，整个封装成PHY层的PPDU，并将该数据帧发送到空口进行传输；

14)PHY层通过PD_Data.Confirm原语通知MAC层，此次数据帧发送成功；

15)目的参考节点收到通过空口传输过来的数据帧后，将立即构造一个确认帧通过空中接口发送给未知节点，通知其已经收到数据；

16)未知节点收到确认帧后，通过采集信号的IQ数据来获取RSSI的值，并将RSSI值放入PD_Data.Indication原语中携带给MAC层；

其中，PD_Data.*格式为物理层协议规范的格式，MAC是介质访问控制，PHY是物理层、PPDU为物理层协议数据单元、PSDU为物理层服务数据单元、MSDU为介质访问控制层服务数据单元。

3.根据权利要求1所述的一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法，其特征在于：在所述步骤3)中,消息在空中的传输时延T_delay计算方法为：MAC层记录该次RSSI值，同时获取当前时间的时钟计数，通过与步骤1）中的时钟计数，通过做差值，并减掉数据帧从MAC层到空口的固定时延，从而得到数据或消息在空口的传输时延。

4.根据权利要求1所述的一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法，其特征在于：步骤1）中的n=20。

5.根据权利要求1所述的一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法，其特征在于：步骤3）中的m=20。

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