專利名稱：基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)雙向定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)雙向定位方法。
背景技術(shù)：
GPS定位系統(tǒng)是應(yīng)用十分廣泛和成熟的定位技術(shù)，但是微波信號(hào)很容易被建筑物等吸收和反射，因此GPS定位設(shè)備適合在室外使用，在室內(nèi)環(huán)境中，由于環(huán)境情況復(fù)雜，微波信號(hào)衰減嚴(yán)重，GPS并不適用。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，人們對(duì)位置信息的需求日益增大，特別是在相對(duì)復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下，如商場(chǎng)、圖書館、停車場(chǎng)、礦井等，經(jīng)常需要快速準(zhǔn)確地獲取用戶或者設(shè)備的位置。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的逐步到來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立將會(huì)遍布生活中的每個(gè)角落，為此我們可以方便的利用此網(wǎng)絡(luò)提供室內(nèi)基于位置的服務(wù)，雙向定位是指定位對(duì)象在被定位的同時(shí)也可以主動(dòng)獲知自身的位置信息。Zigbee是一種新興的近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無(wú)線連接。它依據(jù)802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，使用無(wú)線方式與各個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行通信，在此過(guò)程中會(huì)有一個(gè)重要的參數(shù)即接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)，而zigbee網(wǎng)絡(luò)中就是根據(jù)各個(gè)設(shè)備接收到的信號(hào)強(qiáng)度RSS來(lái)評(píng)價(jià)此通信鏈路的質(zhì)量，從而分配最優(yōu)的路由的。由無(wú)線電波的傳播特征和電磁波室內(nèi)傳播路徑損耗模型的相關(guān)知識(shí)可知RSSI與信號(hào)發(fā)射端和接收端的距離有特定的關(guān)系，根據(jù)zigbee網(wǎng)絡(luò)這種特性，即通過(guò)在通信過(guò)程中提取相應(yīng)設(shè)備的RSSI值，設(shè)計(jì)算法來(lái)確定被定位節(jié)點(diǎn)在此網(wǎng)絡(luò)中的位置。現(xiàn)有的zigbee定位方式只是一種被定位的工作方式，即被定位人員攜帶定位節(jié)點(diǎn)，就可以從服務(wù)器或監(jiān)視器端知曉被定位者的位置信息。這種zigbee網(wǎng)絡(luò)定位方式，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)被定位者自身實(shí)時(shí)獲知自身位置信息。另一方面，設(shè)計(jì)的算法精度也不 高，一般都是基于路徑損耗模型來(lái)設(shè)計(jì)算法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)雙向定位方法,它具有定位效率好，雙向定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它包括基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的雙向定位裝置和定位算法，定位裝置的定位過(guò)程為在需定位區(qū)域中設(shè)置一定數(shù)量的參考節(jié)點(diǎn)(路由器)，這些節(jié)點(diǎn)的位置信息是已知的，協(xié)調(diào)器組網(wǎng)完成后，當(dāng)有定位節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，其便可以獲取各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的RSSI值及物理地址，通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)的定位算法計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在此網(wǎng)絡(luò)中的位置，與此同時(shí)，定位節(jié)點(diǎn)把自身獲取到的RSSI和物理地址數(shù)據(jù)發(fā)送給了協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器端通過(guò)RS232將此數(shù)據(jù)發(fā)送到一臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)互連的計(jì)算機(jī)，這樣，在此種機(jī)制下實(shí)現(xiàn)了定位節(jié)點(diǎn)自身定位結(jié)果獲知以及本地或遠(yuǎn)程端監(jiān)控定位的雙向定位模式。定位算法是基于zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)合路徑損耗模型的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)定位算法，針對(duì)室內(nèi)具體環(huán)境采用Mult1-wall模型(MWM)。這種模型將環(huán)境中的墻體和地面的吸收損耗因子加入到了自由空間傳輸模型中，分別用傳輸損耗Lwalls和Lfloors表不。此傳輸模型可表不為
LMWM = LI+ IOnlog(d) + Lwalls + Lfloor(I)
L taUs — ￡i=-1 Byri * Ky/i( 2 )
Lfl oors = af*kf(3)
LMWM是指路徑損耗，LI是自由空間損耗模型中距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)Im處的路徑損耗值，n是路徑損耗因子，因環(huán)境變化會(huì)有所變動(dòng)。Lwalls是信號(hào)在墻面上總損耗值，Lfloors是信號(hào)
在地板上的總損耗值。是指實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)墻面的材質(zhì)種類數(shù)，awi是指第i種類型材質(zhì)墻體
的損耗因子，kwi是指第i種類型材質(zhì)墻體的數(shù)目。af是指地板的損耗因子，kf是指地板材質(zhì)的類型數(shù)。根據(jù)上述模型建立指紋庫(kù)的過(guò)程為由于參考節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在室內(nèi)布設(shè)，其位置已經(jīng)固定，在需要定位的區(qū)域內(nèi)選取采樣點(diǎn)即指紋信息點(diǎn)，且各點(diǎn)到各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離可計(jì)算或測(cè)量得出，根據(jù)公式(I)可計(jì)算出每個(gè)指紋信息點(diǎn)對(duì)應(yīng)各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值，將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)，在定位精度要求不是特別高的情況下可直接使用路徑損耗模型指紋庫(kù)法進(jìn)行定位，突出其便捷性。本發(fā)明的技術(shù)效果是本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)zigbee網(wǎng)絡(luò)高精度的雙向定位，具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)定位對(duì)象在被定位的同時(shí)也可以主動(dòng)獲知自身的位置信息，提高了定位的效率和定位的精度。


圖1為本發(fā)明的雙向定位的過(guò)程圖。圖2為本發(fā)明路的徑損耗模型方式建立指紋庫(kù)過(guò)程圖。圖3為定位節(jié)點(diǎn)組成框圖。圖4為RSSI和參考節(jié)點(diǎn)物理地址的獲取過(guò)程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施過(guò)程對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)闡述，1.基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的雙向定位裝置，定位過(guò)程如圖(I)所示，在需定位區(qū)域中設(shè)置一定數(shù)量的參考節(jié)點(diǎn)(路由器)，這些節(jié)點(diǎn)的位置信息是已知的，協(xié)調(diào)器組網(wǎng)完成后，當(dāng)有定位節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，其便可以獲取各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的RSSI值及物理地址，通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)的定位算法 計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在此網(wǎng)絡(luò)中的位置，與此同時(shí)，定位節(jié)點(diǎn)把自身獲取到的RSSI和物理地址數(shù)據(jù)發(fā)送給了協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器端通過(guò)RS232將此數(shù)據(jù)發(fā)送到一臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)互連的計(jì)算機(jī)，這樣，在此種機(jī)制下實(shí)現(xiàn)了定位節(jié)點(diǎn)自身定位結(jié)果獲知以及本地或遠(yuǎn)程端監(jiān)控定位的雙向定位模式。2.基于zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)合路徑損耗模型的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)定位算法，針對(duì)室內(nèi)具體環(huán)境采用Mult1-wall模型(MWM)，這種模型將環(huán)境中的墻體和地面的吸收損耗因子加入到了自由空間傳輸模型中，分別用傳輸損耗Lwalls和Lfloors表不。此傳輸模型可表不為L(zhǎng)MWM = 11 +IOnlog Id)+Lwalls+ Lfloor(I)
LwsIls _ ￡i=i aWt *( 2 )
Lfl oors = af*kf(3)
LMWM是指路徑損耗，LI是自由空間損耗模型中距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)Im處的路徑損耗值，n是路徑損耗因子，因環(huán)境變化會(huì)有所變動(dòng)，Lwalls是信號(hào)在墻面上總損耗值，Lfloors是信號(hào)
在地板上的總損耗值是指實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)墻面的材質(zhì)種類數(shù)，awi是指第i種類型材質(zhì)墻體
的損耗因子，kwi是指第i種類型材質(zhì)墻體的數(shù)目，af是指地板的損耗因子，kf是指地板材質(zhì)的類型數(shù)。根據(jù)上述模型建立指紋庫(kù)的 過(guò)程為由于參考節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在室內(nèi)布設(shè)，其位置已經(jīng)固定，在需要定位的區(qū)域內(nèi)選取采樣點(diǎn)即指紋信息點(diǎn)，且各點(diǎn)到各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離可計(jì)算或測(cè)量得出，如圖2中的R1、R2、R3、R4，根據(jù)公式(I)可計(jì)算出每個(gè)指紋信息點(diǎn)對(duì)應(yīng)各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值，將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖(2)所示。在定位精度要求不是特別高的情況下可直接使用路徑損耗模型指紋庫(kù)法進(jìn)行定位，突出其便捷性。3.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
硬件部分最核心的為定位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，如圖3，由于定位所需數(shù)據(jù)的匯集及發(fā)播全部由定位節(jié)點(diǎn)完成，這樣設(shè)計(jì)的目的一方面是出于節(jié)能考慮，只有定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)入并加入此網(wǎng)絡(luò)后才會(huì)產(chǎn)生一系列定位所需的數(shù)據(jù)傳送；另一方面，網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)備可以用作傳感器網(wǎng)絡(luò)中的其他功用，即不會(huì)因定位需要而獨(dú)自占用路由設(shè)備資源。定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中主處理器芯片選用了一款A(yù)RM-Cotex M3內(nèi)核處理器，在其上進(jìn)行自設(shè)算法的運(yùn)行，計(jì)算出用戶的位置，同時(shí)設(shè)置了可以實(shí)時(shí)觀測(cè)定位結(jié)果的GUI，并且設(shè)計(jì)了一個(gè)自定標(biāo)準(zhǔn)的接口，為下一步Zigbee系統(tǒng)與GPS、IMU等設(shè)備組合制作Zigbee與GPS、IMU等多傳感器無(wú)縫定位導(dǎo)航裝置做準(zhǔn)備。4.參數(shù)的獲取過(guò)程
在此定位系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)端需要獲取的核心數(shù)據(jù)參數(shù)有兩種(I)各參考節(jié)點(diǎn)接收到定位節(jié)點(diǎn)廣播消息的RSSI ；(2)每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的物理地址。當(dāng)正確獲取到相對(duì)于每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的這兩種參數(shù)后，便可以設(shè)計(jì)算法對(duì)定位節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行計(jì)算。這兩種參數(shù)的獲取流程如圖4所示，Zigbee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)完成后，首先由終端節(jié)點(diǎn)(定位節(jié)點(diǎn))向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播一條消息幀，這個(gè)消息也可以是偽消息。此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都會(huì)接收到這幀數(shù)據(jù)，在這個(gè)系統(tǒng)中我們只關(guān)心各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)(路由器)接收到廣播幀的情況。各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)接收到消息后向消息源即定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答，當(dāng)定位節(jié)點(diǎn)接收到應(yīng)答后，會(huì)根據(jù)應(yīng)答數(shù)據(jù)中所提供的短地址給各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送RSSI和物理地址數(shù)據(jù)請(qǐng)求，此時(shí)，各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)會(huì)從其RSSI寄存器中提取出RSSI值，和自身物理地址一起發(fā)送到定位節(jié)點(diǎn)。經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程后，定位節(jié)點(diǎn)獲取到了與自身位置信息相關(guān)的各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)RSSI以及對(duì)應(yīng)的物理地址，這時(shí)，定位節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)協(xié)調(diào)器的短地址再把這些數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器，至此用來(lái)定位的兩種參數(shù)已完全獲取至IJ，并且定位節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器都獲取了這兩種參數(shù)，這為雙向定位做好了準(zhǔn)備。通過(guò)以上設(shè)計(jì)的方法，軟硬件結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)zigbee網(wǎng)絡(luò)高精度的雙向定位?；诒景l(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如RFID、UWB、WiFi也可以實(shí)現(xiàn)雙向定位和提出結(jié)合路徑損耗模型的 指紋數(shù)據(jù)庫(kù)定位算法。
權(quán)利要求
1.一種基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)雙向定位方法，其特征在于所述定位方法過(guò)程為在需定位區(qū)域中設(shè)置一定數(shù)量的參考節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的位置信息是已知的，協(xié)調(diào)器組網(wǎng)完成后，當(dāng)有定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，便可以獲取各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的RSSI值及物理地址，通過(guò)定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)的定位算法計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在此網(wǎng)絡(luò)中的位置，與此同時(shí)，定位節(jié)點(diǎn)把自身獲取到的RSSI和物理地址數(shù)據(jù)發(fā)送給了協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器端通過(guò)RS232將此數(shù)據(jù)發(fā)送到一臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)互連的計(jì)算機(jī)，這樣，在此種機(jī)制下實(shí)現(xiàn)了定位節(jié)點(diǎn)自身定位結(jié)果獲知以及本地或遠(yuǎn)程端監(jiān)控定位的雙向定位模式。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)雙向定位方法，其特征在于所述的定位算法是基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)合路徑損耗模型的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)定位算法，針對(duì)室內(nèi)具體環(huán)境采用Mult1-wall模型，這種模型將環(huán)境中的墻體和地面的吸收損耗因子加入到了自由空間傳輸模型中，分別用傳輸損耗Lwalls和Lfloors表不,此傳輸模型可表不為
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)雙向定位方法，其特征在于所述的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)建立過(guò)程為由于參考節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在室內(nèi)布設(shè)，其位置已經(jīng)固定，在需要定位的區(qū)域內(nèi)選取采樣點(diǎn)即指紋信息點(diǎn)，且各點(diǎn)到各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離可計(jì)算或測(cè)量得出，根據(jù)公式(I)可計(jì)算出每個(gè)指紋信息點(diǎn)對(duì)應(yīng)各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值，將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)，在定位精度要求不是特別高的情況下可直接使用路徑損耗模型指紋庫(kù)法進(jìn)行定位。
全文摘要
一種基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)雙向定位方法，其過(guò)程為在需定位區(qū)域中設(shè)置一定數(shù)量的參考節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的位置信息是已知的，協(xié)調(diào)器組網(wǎng)完成后，當(dāng)有定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，便可以獲取各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的RSSI值及物理地址，通過(guò)定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)的定位算法計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在此網(wǎng)絡(luò)中的位置，與此同時(shí)，定位節(jié)點(diǎn)把自身獲取到的RSSI和物理地址數(shù)據(jù)發(fā)送給了協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器端通過(guò)RS232將此數(shù)據(jù)發(fā)送到一臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)互連的計(jì)算機(jī)。發(fā)明可實(shí)現(xiàn)zigbee網(wǎng)絡(luò)高精度的雙向定位，具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)定位對(duì)象在被定位的同時(shí)也可以主動(dòng)獲知自身的位置信息，提高了定位的效率和定位的精度。
文檔編號(hào)H04B17/00GK103068038SQ201210541710
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者郭杭, 劉小康, 余敏, 余松森, 熊劍, 徐星, 陳曉智, 方爽 申請(qǐng)人:南昌大學(xué)