CN103068038A - 基于Zigbee网络的室内双向定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于Zigbee网络的室内双向定位方法，其过程为：在需定位区域中设置一定数量的参考节点，这些节点的位置信息是已知的，协调器组网完成后，当有定位节点进入该区域时，便可以获取各个参考节点对应的RSSI值及物理地址，通过定位节点设备内的定位算法计算出移动节点在此网络中的位置，与此同时，定位节点把自身获取到的RSSI和物理地址数据发送给了协调器，协调器端通过RS232将此数据发送到一台与网络互连的计算机。发明可实现zigbee网络高精度的双向定位，具有方便快捷的优点，实现定位对象在被定位的同时也可以主动获知自身的位置信息，提高了定位的效率和定位的精度。
Description
基于Zigbee网络的室内双向定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于Zigbee网络的室内双向定位方法。
背景技术
[0002] GPS定位系统是应用十分广泛和成熟的定位技术，但是微波信号很容易被建筑物等吸收和反射，因此GPS定位设备适合在室外使用，在室内环境中，由于环境情况复杂，微波信号衰减严重，GPS并不适用。随着数据业务和多媒体业务的快速发展，人们对位置信息的需求日益增大，特别是在相对复杂的室内环境下，如商场、图书馆、停车场、矿井等，经常需要快速准确地获取用户或者设备的位置。随着物联网时代的逐步到来，无线传感器网络的建立将会遍布生活中的每个角落，为此我们可以方便的利用此网络提供室内基于位置的服务，双向定位是指：定位对象在被定位的同时也可以主动获知自身的位置信息。
[0003] Zigbee是一种新兴的近距离、低功耗、低数据速率、部署无线传感器网络的新技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802. 15. 4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。无线传感器网络中，使用无线方式与各个设备之间进行通信，在此过程中会有一个重要的参数即接收信号强度指示（RSSI)，而zigbee网络中就是根据各个设备接收到的信号强度RSS来评价此通信链路的质量，从而分配最优的路由的。由无线电波的传播特征和电磁波室内传播路径损耗模型的相关知识可知RSSI与信号发射端和接收端的距离有特定的关系，根据zigbee网络这种特性，即通过在通信过程中提取相应设备的RSSI值，设计算法来确定被定位节点在此网络中的位置。现有的zigbee定位方式只是一种被定位的工作方式，即被定位人员携带定位节点，就可以从服务器或监视器端知晓被定位者的位置信息。这种zigbee网络定位方式，没有实现被定位者自身实时获知自身位置信息。另一方面，设计的算法精度也不 高，一般都是基于路径损耗模型来设计算法。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供了一种基于Zigbee网络的室内双向定位方法,它具有定位效率好，双向定位精度高的优点。
[0005] 本发明是这样来实现的，它包括基于Zigbee网络的双向定位装置和定位算法，定位装置的定位过程为在需定位区域中设置一定数量的参考节点（路由器)，这些节点的位置信息是已知的，协调器组网完成后，当有定位节点（终端节点）进入该区域时，其便可以获取各个参考节点对应的RSSI值及物理地址，通过终端节点设备内的定位算法计算出移动节点在此网络中的位置，与此同时，定位节点把自身获取到的RSSI和物理地址数据发送给了协调器，协调器端通过RS232将此数据发送到一台与网络互连的计算机，这样，在此种机制下实现了定位节点自身定位结果获知以及本地或远程端监控定位的双向定位模式。定位算法是基于zigbee网络结合路径损耗模型的指纹数据库定位算法，针对室内具体环境采用Mult1-wall模型（MWM)。这种模型将环境中的墙体和地面的吸收损耗因子加入到了自由空间传输模型中，分别用传输损耗Lwalls和Lfloors表不。此传输模型可表不为：
LMWM = LI+ IOnlog(d) + Lwalls + Lfloor (I)
L«taUs — £i=-1 Byri * Ky/i ( 2 )
Lfl oors = af*kf (3)
LMWM是指路径损耗，LI是自由空间损耗模型中距离发射节点Im处的路径损耗值，n是路径损耗因子，因环境变化会有所变动。Lwalls是信号在墙面上总损耗值，Lfloors是信号
在地板上的总损耗值。是指实验空间内墙面的材质种类数，awi是指第i种类型材质墙体
的损耗因子，kwi是指第i种类型材质墙体的数目。af是指地板的损耗因子，kf是指地板材质的类型数。
[0006] 根据上述模型建立指纹库的过程为：由于参考节点已经在室内布设，其位置已经固定，在需要定位的区域内选取采样点即指纹信息点，且各点到各个参考节点的距离可计算或测量得出，根据公式（I)可计算出每个指纹信息点对应各个参考节点的RSSI值，将其存入数据库，在定位精度要求不是特别高的情况下可直接使用路径损耗模型指纹库法进行定位，突出其便捷性。
[0007] 本发明的技术效果是：本发明可实现zigbee网络高精度的双向定位，具有方便快捷的优点，实现定位对象在被定位的同时也可以主动获知自身的位置信息，提高了定位的效率和定位的精度。
附图说明
[0008] 图1为本发明的双向定位的过程图。
[0009] 图2为本发明路的径损耗模型方式建立指纹库过程图。
[0010] 图3为定位节点组成框图。
[0011] 图4为RSSI和参考节点物理地址的获取过程图。
具体实施方式
[0012] 下面结合附图和实施过程对本发明做详细阐述，1.基于Zigbee网络的双向定位装置，定位过程如图（I)所示，在需定位区域中设置一定数量的参考节点（路由器)，这些节点的位置信息是已知的，协调器组网完成后，当有定位节点（终端节点）进入该区域时，其便可以获取各个参考节点对应的RSSI值及物理地址，通过终端节点设备内的定位算法 计算出移动节点在此网络中的位置，与此同时，定位节点把自身获取到的RSSI和物理地址数据发送给了协调器，协调器端通过RS232将此数据发送到一台与网络互连的计算机，这样，在此种机制下实现了定位节点自身定位结果获知以及本地或远程端监控定位的双向定位模式。
[0013] 2.基于zigbee网络结合路径损耗模型的指纹数据库定位算法，针对室内具体环境采用Mult1-wall模型（MWM)，这种模型将环境中的墙体和地面的吸收损耗因子加入到了自由空间传输模型中，分别用传输损耗Lwalls和Lfloors表不。此传输模型可表不为：LMWM = 11 +IOnlog Id)+Lwalls+ Lfloor (I)
LwsIls _ £i=i aWt * ( 2 )
Lfl oors = af*kf (3)
LMWM是指路径损耗，LI是自由空间损耗模型中距离发射节点Im处的路径损耗值，n是路径损耗因子，因环境变化会有所变动，Lwalls是信号在墙面上总损耗值，Lfloors是信号
在地板上的总损耗值是指实验空间内墙面的材质种类数，awi是指第i种类型材质墙体
的损耗因子，kwi是指第i种类型材质墙体的数目，af是指地板的损耗因子，kf是指地板材质的类型数。
[0014] 根据上述模型建立指纹库的 过程为：由于参考节点已经在室内布设，其位置已经固定，在需要定位的区域内选取采样点即指纹信息点，且各点到各个参考节点的距离可计算或测量得出，如图2中的R1、R2、R3、R4，根据公式（I)可计算出每个指纹信息点对应各个参考节点的RSSI值，将其存入数据库，如图（2)所示。在定位精度要求不是特别高的情况下可直接使用路径损耗模型指纹库法进行定位，突出其便捷性。
[0015] 3.系统硬件结构
硬件部分最核心的为定位节点的设计，如图3，由于定位所需数据的汇集及发播全部由定位节点完成，这样设计的目的：一方面是出于节能考虑，只有定位节点进入并加入此网络后才会产生一系列定位所需的数据传送；另一方面，网络中的路由设备可以用作传感器网络中的其他功用，即不会因定位需要而独自占用路由设备资源。定位节点设计中主处理器芯片选用了一款ARM-Cotex M3内核处理器，在其上进行自设算法的运行，计算出用户的位置，同时设置了可以实时观测定位结果的GUI，并且设计了一个自定标准的接口，为下一步Zigbee系统与GPS、IMU等设备组合制作Zigbee与GPS、IMU等多传感器无缝定位导航装置做准备。
[0016] 4.参数的获取过程
在此定位系统中网络端需要获取的核心数据参数有两种：（I)各参考节点接收到定位节点广播消息的RSSI ；(2)每个参考节点的物理地址。当正确获取到相对于每个参考节点的这两种参数后，便可以设计算法对定位节点的位置进行计算。这两种参数的获取流程如图4所示，Zigbee协调器组网完成后，首先由终端节点（定位节点）向整个网络广播一条消息帧，这个消息也可以是伪消息。此时网络中的所有设备都会接收到这帧数据，在这个系统中我们只关心各个参考节点(路由器）接收到广播帧的情况。各个参考节点接收到消息后向消息源即定位节点发送一个应答，当定位节点接收到应答后，会根据应答数据中所提供的短地址给各个参考节点发送RSSI和物理地址数据请求，此时，各个参考节点会从其RSSI寄存器中提取出RSSI值，和自身物理地址一起发送到定位节点。经历这个过程后，定位节点获取到了与自身位置信息相关的各个参考节点RSSI以及对应的物理地址，这时，定位节点会根据协调器的短地址再把这些数据发给协调器，至此用来定位的两种参数已完全获取至IJ，并且定位节点和协调器都获取了这两种参数，这为双向定位做好了准备。通过以上设计的方法，软硬件结合，即可实现zigbee网络高精度的双向定位。
[0017] 基于本发明的无线传感器网络，如RFID、UWB、WiFi也可以实现双向定位和提出结合路径损耗模型的 指纹数据库定位算法。
Claims (3)
1. 一种基于Zigbee网络的室内双向定位方法，其特征在于所述定位方法过程为：在需定位区域中设置一定数量的参考节点，这些节点的位置信息是已知的，协调器组网完成后，当有定位节点进入该区域时，便可以获取各个参考节点对应的RSSI值及物理地址，通过定位节点设备内的定位算法计算出移动节点在此网络中的位置，与此同时，定位节点把自身获取到的RSSI和物理地址数据发送给了协调器，协调器端通过RS232将此数据发送到一台与网络互连的计算机，这样，在此种机制下实现了定位节点自身定位结果获知以及本地或远程端监控定位的双向定位模式。
2.如权利要求1所述的一种基于Zigbee网络的室内双向定位方法，其特征在于所述的定位算法是基于Zigbee网络结合路径损耗模型的指纹数据库定位算法，针对室内具体环境采用Mult1-wall模型，这种模型将环境中的墙体和地面的吸收损耗因子加入到了自由空间传输模型中，分别用传输损耗Lwalls和Lfloors表不,此传输模型可表不为：
LMWM是指路径损耗，LI是自由空间损耗模型中距离发射节点Im处的路径损耗值，n是路径损耗因子，因环境变化会有所变动，Lwalls是信号在墙面上总损耗值，Lfloors是信号在地板上的总损耗值，〖是指实验空间内墙面的材质种类数，awi是指第i种类型材质墙体的损耗因子，kwi是指第i种类型材质墙体的数目，af是指地板的损耗因子，kf是指地板材质的类型数。
3.如权利要求2所述的一种基于Zigbee网络的室内双向定位方法，其特征在于所述的指纹数据库建立过程为：由于参考节点已经在室内布设，其位置已经固定，在需要定位的区域内选取采样点即指纹信息点，且各点到各个参考节点的距离可计算或测量得出，根据公式（I)可计算出每个指纹信息点对应各个参考节点的RSSI值，将其存入数据库，在定位精度要求不是特别高的情况下可直接使用路径损耗模型指纹库法进行定位。
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