CN109874142A - 一种基于zigbee的信号检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于ZIGBEE的信号检测系统，该系统包括信息获取模块、计算分析模块、信号检测模块，信息获取模块用于获取区域信息，计算分析模块用于计算信号覆盖强度，分析和优化最佳位置，信号检测模块用于接收信号、显示信号强度。通过该系统可实现实时监测空间范围内的ZIGBEE设备及其信号质量，帮助工程师们完成ZIGBEE信号覆盖的量化、可视化设计。同时该系统具有自主学习功能，根据测量结果优化调整因子，能快速降低ZIGBEE组网成本，提高ZIGBEE组网设计效率。

Description

一种基于ZIGBEE的信号检测系统

技术领域

本发明属于无线通信技术的测控领域，涉及一种用于空间区域内ZIGBEE(紫蜂协议)设备及其信号质量的检测方法及设备。

背景技术

ZIGBEE是一种近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要用于自动监控领域的无线组网通讯技术。随着物联网的快速发展，ZIGBEE技术已广泛应用于工业控制、农业自动化、智能家居、智能照明、智能建筑等领域。由于ZIGBEE信号在传输过程中有衰减，为了获得良好的交互体验，就需要进行相应的信号覆盖设计，规避遮挡物，优化ZIGBEE Coordinator(协调器)、ZIGBEE Router(汇聚节点)及传感器节点ZIGBEEEndDevice(终端设备)性能，合理摆放ZIGBEE设备。

在传统的ZIGBEE信号覆盖设计中，工程师主要凭借个人经验和对ZIGBEE设备性能的主观判断，决定ZIGBEE网络所采用的设备及设备摆放位置。为了保证网络的良好交互，设计中通常会增加设备数量，提高设备性能，导致网络冗余量过大，造成了资源的浪费与成本的增加；若想防止成本增加，又需携带示波器等笨重专业的检测工具到现场检测，且检测过程复杂繁琐，仪器携带使用不便，非专业人员不会操作。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，减少检测过程的复杂性，方便操作，本发明提供一种基于ZIGBEE的信号检测系统。该系统可实现实时监测空间范围内的ZIGBEE设备及其信号质量，帮助工程师们完成ZIGBEE信号覆盖的量化、可视化设计，降低ZIGBEE组网成本，提高ZIGBEE组网设计效率，同时仪表小巧轻便，插入手机既可实现ZIGBEE信号现场检测，操作简单明了，非专业人士也可进行精准的ZIGBEE信号覆盖设计。

该系统主要包括信息获取模块、计算分析模块、信号检测模块，

其中，信息获取模块主要用于获取监控区域的信息，包括监控区域的面积大小、障碍物位置和大小、监控点的位置等信息，信息获取模块获取信息后，将结果传递给计算分析模块。该信息可以来源于用户自己输入信息建立空间模型，也可以通过自身的红外、激光测量单元测量上述信息，建立空间模型。

计算分析模块通过算法计算传播损耗，预估出ZIGBEE信号覆盖情况，根据信号覆盖结果，预估出来设备需要放置的位置，用户可根据预估结果放置ZIGBEE设备，包括ZIGBEECoordinator、信号转发的ZIGBEE Router和ZIGBEE EndDevice设备等。

其中，其计算算法可以选择室内的路径传播损耗公式：PathLoss＝40+31logR+8+X，其中，PathLoss为室内的路损，单位是dB。R为发射源与接收点的距离，单位是m，X为优化因子。也可以是自由空间中的路径损耗公式：PathLoss＝32.44+20lgF+20lgD+X，其中，PathLoss为自由空间的路损，单位是dB。F为载波的频率，单位是MHz。D为发射源与接收点的距离，单位是km，X为优化因子。其中，优化因子与障碍物有关，相同大小障碍物，其材质不同，X不同，相同材质障碍物，其大小不同，X不同。

信号检测模块接收信号，显示信号强度，其中信号检测模块也可以与第三方设备对接，推送信息给第三方设备。用户在按着计算结果摆放所需设备后，可通过该模块进行测量区域的信号强度。

计算分析系统根据信号检测模块的结果，与预算结果进行比对，改善优化因子，重新计算最优位置，并给出改善方案，例如，设备位置调整，增加ZIGBEE Router，增加天线增益等。

最后，计算分析系统根据本次最终结果，进行优化提升，改善优化因子，形成优化因子库。

本发明的系统可实现实时监测空间范围内的ZIGBEE设备及其信号质量，帮助工程师们完成ZIGBEE信号覆盖的量化、可视化设计，降低ZIGBEE组网成本，提高ZIGBEE组网设计效率，同时仪表小巧轻便，插入手机既可实现ZIGBEE信号现场检测，操作简单明了，非专业人士也可进行精准的ZIGBEE信号覆盖设计。

附图说明

图1检测系统模块组成图

图2检测流程图

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一、检测步骤

1.信息获取模块获取区域信息

用户选择监控的位置，放置该系统设备，启动该系统，用户可自己输入监控区域的信息，该系统也可以通过激光、红外等传感器测量区域信息，其中区域信息包括区域面积、区域内障碍物的位置、障碍物的大小、监控的位置点等。通过输入信息或者测量结果，模拟出来监控位置模型，并将位置模型传递给计算分析模块。

2.计算分析模块预估信号覆盖

计算分析模块接收信息获取模块的空间模型，通过算法计算信号损失，通过信号损失，预估出来设备需要放置的位置。

通用计算损失的模型有两种：

第一种：室内的路径传播损耗公式：PathLoss＝40+31logR+8+X，其中，PathLoss为室内的路损，单位是dB。R为发射源与接收点的距离，单位是m，X为优化因子，优化因子可根据因子库进行选取，因子库会根据学习模块进行优化提升。

第二种：自由空间中的路径损耗公式：PathLoss＝32.44+20lgF+20lgD+X，其中，PathLoss为自由空间的路损，单位是dB。F为载波的频率，单位是MHz。D为发射源与接收点的距离，单位是km，X为优化因子，优化因子可根据因子库进行选取，因子库会根据学习模块进行优化提升。

3.放置ZIGBEE设备

根据计算分析模块预估结果选择满足区域覆盖要求的ZIGBEE设备，包括布放ZIGBEE Coordinator、需要信号转发的ZIGBEE Router及ZIGBEE EndDevice的检测模块。

4.信号检测模块检测信号

设备放置结束后，启用信号检测模块，ZIGBEE检测系统本身可以直接用于接收信号和显示信号强度，也可以将检测仪插入手机USB口，检测系统APP监测到连入检测仪后，会自动弹出，运行检测APP，实时检测各ZIGBEE EndDevice及ZIGBEE Router的信号接收与信号强度。

5、ZIGBEE设备位置优化

根据之前放置的放置结果，即信号强度分布结果，与预期的结果进行比对，确定位置是否为最优，若最优，则本次布局结束，若非最优，方法1是通过调整因子X进行重新计算，计算出最优的位置，进行重新布局；方法2是局部增加ZIGBEE Router，增加天线增益等进行布局优化。根据优化结果重新利用检测模块检测信号进行检测，若最优，则结束布局，若非最优，继续重复上述动作。

每次测量结束之后，系统会自动收集实际结果和分析结果之间的差距，进行自我学习和提升，调整优化因子，更新优化因子数据库，让设备更加智能化。

二、结合具体实例来说明本发明的技术步骤和技术效果。

1.结合农业大棚使用该系统的说明：

某农业大棚使用ZIGBEE自动监控系统实现环境温湿度、光照强度、二氧化碳含量、土壤温度、土壤含水量的实时监测，并根据环境动态控制自动喷淋、自动卷帘及自动换气装置，障碍物为农作物和铁架。

首先，确定该大棚的基本模型，确定大棚的大小，其障碍物主要是农作物和铁架，然后，通过计算公式，确定信号在空间的损失，分析出来ZIGBEE的信号覆盖范围、检测点位、控制点的位置。通过本次预估分析，可以确定该系统需要的设备如下：一台放置在大棚中部的发射功率为27dBm，全向天线增益为3dBi的ZIGBEE Coordinator，和若干ZIGBEEEndDevice。接着，按着预估的点位，放置ZIGBEE设备，包括一台放置在大棚中部的发射功率为27dBm，全向天线增益为3dBi的ZIGBEE Coordinator，和若干ZIGBEE EndDevice。接着，开始进行实地检测，测得距离最远处ZIGBEE信号接收强度在-40dBi以内，信号覆盖较好，不需要增强天线增益或增加ZIGBEE Router。由于本次调试空间较为空阔，障碍物较小且比较单一，因此一次调试结果就达到技术效果要求。

2.结合家庭智能使用该系统的说明：

某三室二厅一厨一卫家庭需要ZIGBEE智能家居系统实现环境温湿度、室内空气质量、门窗入侵、天然气泄漏、漏水监测及空气净化器、天然气阀门和水阀的智能控制，其中室内面积为99平，障碍物为墙体。

首先，确定房间的基本模型，通过系统自带的测量功能，通过激光单元测量每个房间的大小，同时，通过外部输入每个房间墙体的厚度，墙体的材质，建立房间的基本模型。接着，测量分析进行预估，通过房间模型，预估信号的损失情况，预估ZIGBEE信号覆盖范围，监测点及控制点位置，预估本次调控需要的设备如下：一台放置在餐厅发射功率为20dBm，全向天线增益为3dBi的ZIGBEE Coordinator，发射功率为10dBm，全向天线增益为1dBi的ZIGBEE Router及若干ZIGBEE EndDevice，其中，餐厅为房间的中心位置。接着，按着预估的点位，放置ZIGBEE设备，包括一台放置在餐厅发射功率为20dBm，全向天线增益为3dBi的ZIGBEE Coordinator，发射功率为10dBm，全向天线增益为1dBi的ZIGBEE Router及若干ZIGBEE EndDevice，接着，开始进行行实地检测，测得某个房间的信号较弱，通过实测该房间的信号，对调整因子X进行优化，重新调整ZIGBEE Coordinator的位置，重新检测后发现次卧的门窗词与空气监测ZIGBEE EndDevice不能与ZIGBEE Coordinator通信。系统比对实测值与测算值后，推荐在次卧新增一台发射功率为10dBm，全向天线增益为1dBi的ZIGBEERouter扩大信号覆盖范围。最后，新增次卧ZIGBEE Router和移动餐厅的ZIGBEE Router至厨房后，使用本发明检测仪进行实测，所有设备均在网，且设备最低的ZigBee信号强度为-40dBi以内，信号覆盖较好。

通过上述优化，发现其调整因子与房间墙体材质和厚度相关性较大，基于本次布局结果，调整因子增加本次墙体厚度和材质的关系，完成一次智能学习过程。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于ZIGBEE的信号检测系统，其特征在于，该系统包括信息获取模块、计算分析模块、信号检测模块，

所述信息获取模块用于获取区域信息，

所述计算分析模块用于计算信号覆盖强度，分析和优化最佳位置，

所述信号检测模块用于接收信号、显示信号强度。

2.根据权利要求1所述的基于ZIGBEE的信号检测系统，其特征在于，所述信息获取模块获取区域面积、障碍物、监控点位，建立区域模型。

3.根据权利要求1所述的基于ZIGBEE的信号检测系统，其特征在于，所述计算分析模块通过障碍物信息、路径信息计算信号传播损耗，确定ZIGBEE设备放置位置。

4.根据权利要求1所述的基于ZIGBEE的信号检测系统，其特征在于，所述计算分析模块还包括优化模块，根据实际结果和计算结果对比，优化最佳位置。

5.根据权利要求1所述的基于ZIGBEE的信号检测系统，其特征在于，所述计算分析模块还包括学习提升模块，根据实际结果与计算结果，优化传播损耗计算算法。

6.根据权利要求5所述的基于ZIGBEE的信号检测系统，其特征在于，所述计算算法包括调整因子，通过调整因子优化计算算法。

7.根据权利要求1所述的基于ZIGBEE的信号检测系统，其特征在于，所述信号检测模块具有外接接口，外接接口可连接第三方设备，推送信号信息。

8.根据权利要求3所述的基于ZIGBEE的信号检测系统，其特征在于，所述ZIGBEE设备包括ZIGBEE Coordinator、outer ZIGBEE Router、ZIGBEE EndDevice、天线增益。

9.根据权利要求1所述的基于ZIGBEE的信号检测系统，其特征在于，所述信息获取模块还具有输入端，可通过输入端输入检测区域的基本模型。

10.根据权利要求1所述的基于ZIGBEE的信号检测系统，其特征在于，所述信息获取模块还具有测量子模块，测量子模块具有红外、激光测量单元，可测量区域大小、障碍物位置和大小。