CN105652236A - 一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法和系统。该方法包括：（1）将提供物理坐标的ZigBee参考节点安装在商场内的定位点位置处，在移动终端加载商场地图数据；（2）初始化ZigBee参考节点的参数，包括发射功率、设备物理地址和位置信息；（3）移动终端接收多个参考节点发送的射频信号，根据接收到的信号强度计算出移动终端到各个参考节点的距离；（4）根据计算出的距离信息，利用多点定位平均法计算得到移动终端的位置信息；（5）在移动终端加载的商场地图上显示该移动终端所在的位置信息及周围店铺信息。本发明能有效降低定位误差，提升定位精度其性能优越，且易于实现。

Description

一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法和系统

技术领域

本发明涉及无线定位领域，具体涉及一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法和系统。

背景技术

随着移动设备性能的飞速提升及基于位置感知应用的激增，位置感知发挥了越来越重要的作用。近年来，位置服务的相关技术和产业正向室内发展以提供无所不在的基于室内位置的服务，其存在巨大应用和商业潜能。

目前无线定位系统按照覆盖范围的大小主要分为3种方式，即卫星定位系统(GPS)、基站蜂窝网络定位系统(GPS+基站)和基于无线局域网定位系统。以上三类定位方法都具有自身的优点，但应用在商场室内定位都存在严重缺陷。

卫星定位系统(GPS)：该方法在室外无遮挡情况下，具有静态定位精度高、效率高、成本低、技术成熟的优点。但在商场室内场景下，存在GPS信号容易被建筑物遮挡、损耗严重等问题，接收机灵敏度不足导致不能够正常接收，因此根本无法应用于商场的室内定位，且定位误差较大，无法满足商场内高精度定位的需求。

基站蜂窝网络定位系统(GPS+基站)：是对GPS技术的一种补充和发展，能够弥补GPS不能进行室内定位的缺点，并且随着智能手机的普及和硬件配置的提升，此方法获得迅速发展。但是受限于移动通信基站信号场强覆盖的范围和基站数量，以及长距离传输时信号所存在的多径传输，严重制约了定位的精度，无法满足商场高精度定位要求。

基于无线局域网的定位方法：基本思路与基于蜂窝网络的定位方法相似，目前较为流行利用WiFi信号来辅助定位。相比于利用基站蜂窝网络的定位方法，一定程度上增加了节点的数量，提升了定位精度。但是节点密度还是较少，传输信号时受信道影响较大，同样不能满足商场室内高精度定位的要求。

现有各种定位方法都存在着定位精度低的缺点，无法满足商场室内高精度定位的要求。因此为了满足商场室内定位的需求，迫切需要寻找一种高精度、高灵活性、低成本、易实现的定位方法。

发明内容

发明目的：本发明目的是针对商场室内这样特定场景的定位问题，提供一种高精度、高灵活性、低成本、易实现的基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法和系统。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法，包括以下步骤：

(1)将提供物理坐标的ZigBee参考节点安装在商场内的定位点位置处，在移动终端加载商场地图数据；所述定位点位置包括店铺门牌和公共设施，所述地图数据包括各定位点的位置坐标数据；

(2)初始化ZigBee参考节点的参数，包括发射功率、设备物理地址和位置信息；

(3)移动终端接收多个ZigBee参考节点发送的射频信号，根据接收到的信号强度计算出移动终端到各个ZigBee参考节点的距离；

(4)根据计算出的距离信息，利用多点定位平均法计算得到所述移动终端的位置信息；

(5)在所述移动终端加载的商场地图上显示该移动终端所在的位置信息及周围店铺信息。

作为优选，所述步骤(4)中利用多点定位平均法计算得到移动终端的位置信息的具体过程为：移动终端从测得的来自不同ZigBee参考节点的射频信号中，选择信号强度最大的N个，N为大于3的整数，通过排列组合方法，每次从N个数据中选择3个进行三点定位得到一个估计坐标，最后对每组计算得到的坐标值取平均值得到最终的移动终端位置的坐标值。

作为优选，各个ZigBee参考节点设置的位置信息包括经纬度坐标、店铺门牌高度和楼层信息；

步骤(4)中将根据接收信号强度计算得到的距离根据公式转换成二维距离后，再基于多点定位平均法计算移动终端在二维平面的位置信息；其中d′为通过短距离传输损耗模型计算出的距离，H₀为店铺门牌高度，H_m为移动终端平均高度。

一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位系统，包括：若干提供物理坐标的ZigBee参考节点和若干具有ZigBee功能的移动终端；所述ZigBee参考节点安装在商场内的定位点位置处，所述定位点位置包括店铺门牌和公共设施；所述移动终端加载有商场地图，移动终端包括如下功能模块：

距离计算单元，用于根据接收的信号强度计算出移动终端到各个ZigBee参考节点的距离；

多点定位单元，用于根据移动终端与参考节点的距离信息，利用多点定位平均法计算得到移动终端的位置信息；

以及显示单元，用于在移动终端加载的商场地图上显示该移动终端所在的位置信息及周围商铺信息。

作为优选，所述移动终端还包括距离转换单元，用于根据参考节点的店铺门牌高度以及移动终端平均高度将距离计算单元得到的基于短距离传输损耗模型计算出的距离转换为二维平面的距离。

有益效果：与现有技术相比，本发明基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法和系统，能够有效提高商场室内复杂场景的定位精度，其性能优越，且易于实现。

附图说明

图1是基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法实现具体流程图；

图2是基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法距离转换原理图；

图3是基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法原理图；

图4是对比基于RFID的VIRE定位算法和本专利的基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法参考节点分布图；

图5是MATLAB仿真定位结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

场景的特殊性直接影响了不同定位技术所能取得的定位精度，下面详细分析一下场景的特性。

1.封闭性

商场作为封闭性的室内场所，常规的GPS定位技术的信号无法穿透墙体传输，导致信号强度严重衰减，且目前接收机的灵敏度无法利用弱信号进行定位，因此不能够用于商场内的定位。

2.高精度定位需求

由于商场内不同店铺间距离通常较近，因此为了达到理想的定位，必须保证足够高的定位精度。而GPS技术的定位精度远不能满足要求，而基于基站蜂窝网络或是使用WiFi技术的局域网定位方法，由于蜂窝网络和WiFi节点的数量有限，并且单个基站或者节点覆盖的范围较小，仅能满足基本的定位需求。无法达到商场定位所需的精准度。

基于以上商场室内定位的特点和传统定位技术在该场景下定位精度的不足，提出基于ZigBee技术的商场室内无线定位技术。

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低数据速率、低成本、低功耗的无线局域网络技术，是一种介于RFID标记和蓝牙技术之间的技术，主要适用于近距离连接。为了利用ZigBee技术完成商场室内无线定位，本发明采取以下具体措施：

首先对本发明使用的符号或参数说明如下：

D₀：待定位移动终端

H₀：ZigBee节点位置高度

H_m：手持移动终端位置高度

P_t：节点发射功率

(x_i,y_i)：第i个ZigBee节点的位置坐标

(a,b)：待定位移动终端D₀的坐标

A_MAC：节点的物理地址

S_i：接收到的来自i个ZigBee节点的信号强度

d_i′：移动终端D₀到第i个ZigBee节点的距离

如图1所示，本发明实施例公开的一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法，包括以下步骤：

(1)将ZigBee参考节点安装在商场内的店铺门牌、公共设施等定位点位置处。本步骤中，要完成对ZigBee参考节点模块硬件的安装与配置，布置节点时候必须考虑节点的高度和信号传输的信道问题，因此在店铺的门牌位置同一高度H₀处统一布置ZigBee参考节点，并对每一家店铺和公共设施进行准确定位信息的采集，定位信息包括经纬度坐标(或者转换到商场地图上的坐标)门牌高度(即ZigBee节点安装位置高度)及楼层信息。

(2)初始化ZigBee参考节点参数，主要包括ZigBee节点的发射功率P_t、物理地址A_MAC，ZigBee节点的ID，对每一家店铺和公共设施进行准确定位信息的设定(x_i,y_i)，移动终端商场地图的加载等，商场地图数据中包括商场各定位点的位置坐标、楼层信息以及店铺名称描述等。

(3)移动终端接收多个ZigBee参考节点发送的射频信号，根据接收到的信号强度计算出移动终端到各个ZigBee参考节点的距离。本步骤中，移动终端根据接收到的来自第i个ZigBee节点的信号强度S_i，基于短距离传播损耗信道模型，计算出移动终端D₀到第i个ZigBee参考节点的距离d_i′，然后根据d_i′计算出移动终端到第i个ZigBee参考节点的平面二维距离，以便最终在二维平面地图上展示位置信息。为了避免不同楼层射频信号的干扰，可设定一信号强度阈值，设移动终端接收到满足大于该阈值的来自不同ZigBee参考节点的射频信号为S₁,…,S_l,…,S_n，n为节点数量，移动终端获得并解析这些来自不同ZigBee参考节点的射频信号对应的信号源ZigBee节点的ID、节点位置高度、物理位置坐标(x_i,y_i)及楼层信息(因ZigBee节点功耗低、传输距离短、衰减快，这样则避免了受到其他楼层的信号干扰)。

本步骤中采用的将信号强度信息转换为距离信息的公式为：

$p\left(d^{\′}\right)=p\left(d_0\right)-10\×n\×log\left(\frac{d^{\′}}{d_0}\right)+x_0$

其中：n是路径损耗因子，它与周围环境因素有关，依赖于建筑物的结构和其使用的材料。x₀称为路径损耗附加值，表示通过墙壁或建筑的衰减因子。d₀是参考距离，通常选择为1m。P(d₀)是当距离为参考距离d₀时候的功率，d′是发送端和接收端之间的距离。

接收端的信号强度公式为：

P_r(d′)＝P_t-p(d′)

其中P_r(d′)表示接收功率，也可以用接收信号强度RSSI(d′)表示。P_t是传输功率，即本例中的ZigBee节点的发射功率，p(d′)是当路径长度为d′时的功率损耗。

图2为本发明二维平面距离转换的原理图，由于移动终端载入的地图为平面二维地图，而上述步骤中介绍的ZigBee参考节点被安装在店铺门牌位置，其高度为H₀，而移动终端平均高度相对较低，其高度为H_m。因此在进行二维展示时不能直接以上述的距离d′作为移动终端与ZigBee节点的物理距离，需要对通过短距离传输损耗模型计算出的距离d′进行从三维到二维的转换，此处假设转换后距离为d，则有：

$d=\sqrt{d^{\′2}-{(H_0-H_m)}^2}$

(4)根据上一步得到的参考节点ID、位置坐标和计算所得的到不同ZigBee节点的距离信息，利用多点定位平均法计算待定位移动终端的位置坐标。其中多点定位平均法的具体过程为：

首先选取移动终端测量获得的来自不同ZigBee节点的射频信号中信号强度最大的N个，N大于3，如6个(由短距离传输损耗模型可知，信号强度越强就表示传输经历的距离越短)。然后通过排列组合方法，每次选择6个数据中的3个进行三点定位，获得一个对待定位移动终端位置的估计坐标，重复以上过程直到所有排列组合被遍历，记录下所有对移动终端位置的估计坐标。利用上一步求得的对待定位移动终端的估计坐标，求其横纵坐标的平均值，作为最终对待定位移动终端位置的估计值。

(5)最后，利用移动终端的显示界面，在载入的商场地图上显示该移动终端的具体位置信息及周围店铺信息。

本发明实施例还公开了一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位系统，包括：若干提供物理坐标的ZigBee参考节点和若干具有ZigBee功能的移动终端；ZigBee参考节点安装在商场内的定位点位置处，定位点位置包括店铺门牌和公共设施；移动终端加载有商场地图，移动终端包括如下功能模块：距离计算单元，用于根据接收的信号强度计算出移动终端到各个ZigBee参考节点的距离；多点定位单元，用于根据移动终端与参考节点的距离信息，利用多点定位平均法计算得到移动终端的位置信息；以及显示单元，用于在移动终端加载的商场地图上显示该移动终端所在的位置信息及周围商铺信息。当商场地图采用二维平面地图时，移动终端还包括距离转换单元，用于根据参考节点的店铺门牌高度以及移动终端平均高度将距离计算单元得到的基于短距离传输损耗模型计算出的距离转换为二维平面的距离。

为验证本发明方法的有效性和与现有技术比较的优势，本发明做如下仿真试验。仿真参数：路径损耗指数n＝2.2，ZigBee参考节点的发射功率为0dBm，信道中包含了均值为0，标准差为5的高斯白噪声仿真环境噪声。

性能分析：

如图4所示，为对比基于RFID的VIRE定位算法和基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法参考节点分布图，实际应用中应根据商场的室内店铺实际位置而定。相比于基于RFID的VIRE定位算法，本发明中采用的ZigBee节点的数量和布置更加灵活，并且节点密度能够满足精度要求。

如图5所示，基于RFID的VIRE定位算法参考节点和本发明基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法的ZigBee节点分布在24m×24m的空间，为比较两种定位算法的性能，我们把基于RFID的VIRE定位算法节点和基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法的ZigBee节点布置在同一位置处。图中e为基于RFID的VIRE定位算法得到的位置与实际物理位置之间的差，epro为本专利基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法得到的位置与实际物理位置之间的差。通过MATLAB仿真可以看出，本专利定位的结果和误差数值相比基于RFID的VIRE定位算法更为优秀，本专利方法定位平均误差为0.6016m，足以满足商场定位要求，而相比基于RFID的VIRE定位算法的定位平均误差为1.1071m，定位精确度提升了45.7％。

因此，在商场室内定位场景下本发明方法有很好的效果，并且设备更为简单，实现更容易，更加适合商场场景下的高精度定位。

Claims (5)

1.一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

{1)将提供物理坐标的ZigBee参考节点安装在商场内的定位点位置处，在移动终端加载商场地图数据；所述定位点位置包括店铺门牌和公共设施，所述地图数据包括各定位点的位置坐标数据；

{2)初始化ZigBee参考节点的参数，包括发射功率、设备物理地址和位置信息；

(3)移动终端接收多个ZigBee参考节点发送的射频信号，根据接收到的信号强度计算出移动终端到各个ZigBee参考节点的距离；

{4)根据计算出的距离信息，利用多点定位平均法计算得到所述移动终端的位置信息；

(5)在所述移动终端加载的商场地图上显示该移动终端所在的位置信息及周围店铺信息。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法，其特征在于，

所述步骤(4)中利用多点定位平均法计算得到移动终端的位置信息的具体过程为：移动终端从测得的来自不同ZigBee参考节点的射频信号中，选择信号强度最大的N个，N为大于3的整数，通过排列组合方法，每次从N个数据中选择3个进行三点定位得到一个估计坐标，最后对每组计算得到的坐标值取平均值得到最终的移动终端位置的坐标值。

3.根据权利要求1或2所述的基于ZigBee技术的商场室内无线定位方法，其特征在于，

各个ZigBee参考节点设置的位置信息包括经纬度坐标、店铺门牌高度和楼层信息；

步骤(4)中将根据接收信号强度计算得到的距离根据公式转换成二维距离后，再基于多点定位平均法计算移动终端在二维平面的位置信息；其中d′为通过短距离传输损耗模型计算出的距离，H₀为店铺门牌高度，H_m为移动终端平均高度。

4.一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位系统，其特征在于，包括：若干提供物理坐标的ZigBee参考节点和若干具有ZigBee功能的移动终端；所述ZigBee参考节点安装在商场内的定位点位置处，所述定位点位置包括店铺门牌和公共设施；所述移动终端加载有商场地图，移动终端包括如下功能模块：

距离计算单元，用于根据接收的信号强度计算出移动终端到各个ZigBee参考节点的距离；

多点定位单元，用于根据移动终端与参考节点的距离信息，利用多点定位平均法计算得到移动终端的位置信息；

以及显示单元，用于在移动终端加载的商场地图上显示该移动终端所在的位置信息及周围店铺信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于ZigBee技术的商场室内无线定位系统，其特征在于，所述移动终端还包括距离转换单元，用于根据参考节点的店铺门牌高度以及移动终端平均高度将距离计算单元得到的基于短距离传输损耗模型计算出的距离转换为二维平面的距离。