ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)GPS功能

ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)GPS功能
成都無(wú)線龍通訊的C51RF-CC2431無(wú)線定位開(kāi)發(fā)系統(tǒng)具有ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)GPS功能，同時(shí)提供各種ZigBee(CC2430/CC2431)開(kāi)發(fā)工具。
定位引擎提供ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線裝置高定位精確度，且耗電低，還能減少額外通訊負(fù)擔(dān)，并能利用現(xiàn)有ZigBee基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)算無(wú)線裝置在網(wǎng)絡(luò)里的位置，再由中央資料點(diǎn)搜集信息以供追蹤使用，或由使用者啟動(dòng)此功能引導(dǎo)其在建筑物內(nèi)移動(dòng)。
想像到一個(gè)商場(chǎng)的賣(mài)場(chǎng)，想購(gòu)買(mǎi)一樣稱(chēng)心的商品，該從那里著手？其實(shí)很簡(jiǎn)單，如果商場(chǎng)上布置了定位系統(tǒng)，只要拿出行動(dòng)電話或PDA搜尋商品區(qū)，行動(dòng)裝置就會(huì)顯示賣(mài)場(chǎng)地圖，并且告訴消費(fèi)者往那個(gè)方向走，當(dāng)消費(fèi)者穿過(guò)賣(mài)場(chǎng)時(shí)，還會(huì)顯示可能感到興趣的商品。

德州儀器(TI)ZigBee無(wú)線射頻元件CC2431所含的定位引擎(Location Engine)就像是室內(nèi)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線射頻基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)算物品或人員的位置。相較于GPS系統(tǒng)，把定位引擎和微控制器(MCU)全部整合至單晶片射頻收發(fā)器，不僅耗電量遠(yuǎn)少于GPS硬體，成本更不到其十分之一，且無(wú)論在室內(nèi)或室外，只要有ZigBee網(wǎng)絡(luò)的地方就能使用。常見(jiàn)應(yīng)用包括從屋內(nèi)不同房間移動(dòng)時(shí)，遙控開(kāi)燈或關(guān)燈；裝運(yùn)碼頭的貨柜追蹤，以及從倉(cāng)庫(kù)追蹤特定貨物。定位引擎還能簡(jiǎn)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，能在新設(shè)備加入網(wǎng)路時(shí)找出其所在位置。

多數(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都需一套方法判斷網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置，所以使用者必須在安裝時(shí)決定應(yīng)該互相交換的資料，以及應(yīng)與中央資料搜集點(diǎn)互傳資料的節(jié)點(diǎn)。市場(chǎng)上許多解決方案透過(guò)軟體計(jì)算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置，這類(lèi)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)讀取位置計(jì)算所需的參數(shù)，然后把信息送到中央資料搜集點(diǎn)，算出位置后再傳回給節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程的運(yùn)算量很龐大，須用到個(gè)人電腦或高效能微控制器。
這種計(jì)算位置的方式僅對(duì)小型網(wǎng)絡(luò)和少數(shù)節(jié)點(diǎn)有用，因?yàn)閳?zhí)行計(jì)算所需的網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的指數(shù)增加。高流量負(fù)載和頻寬不足讓這套方法只能用于電池供電的網(wǎng)絡(luò)，可利用分布式定位計(jì)算解決這個(gè)問(wèn)題，可先讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)找出多個(gè)已知位置且距離最近的參考節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信息計(jì)算本身的位置，因此，網(wǎng)絡(luò)流量將只出現(xiàn)在定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)(Blind Node)連接范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。另外，由于網(wǎng)絡(luò)流量只會(huì)隨定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)的數(shù)目等比例增加，所以同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可有很多個(gè)定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)。本文介紹的結(jié)果是以ZigBee網(wǎng)絡(luò)測(cè)量值為基礎(chǔ)，但也適用于較簡(jiǎn)單的IEEE 802.15.4網(wǎng)路。

剖析定位引擎技術(shù)
定位引擎會(huì)根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)里，相鄰無(wú)線裝置傳來(lái)的接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(RSSI)計(jì)算自己的位置。隨著環(huán)境不同，兩臺(tái)無(wú)線裝置之間的RSSI信號(hào)會(huì)有很大差異，舉例來(lái)說(shuō)，若有人在兩臺(tái)無(wú)線裝置的中間走過(guò)，接收信號(hào)就可能減少30dBm，為彌補(bǔ)這么大的差異，定位引擎增加多臺(tái)無(wú)線裝置傳來(lái)的RSSI值進(jìn)行計(jì)算，以便得到精確的位置，這種做法的邏輯是利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)求取平均值，即可將RSSI的變異量消除。
在無(wú)線射頻網(wǎng)絡(luò)里，已知位置的定位引擎無(wú)線裝置稱(chēng)為參考節(jié)點(diǎn)(Reference Nodes)，須要計(jì)算其位置的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)與定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)之間須要傳送的信息就是參考節(jié)點(diǎn)的X和Y座標(biāo)以及RSSI值。定位引擎會(huì)根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的訊息測(cè)量RSSI值，配合所收到的X和Y座標(biāo)計(jì)算其位置。

有些定位引擎應(yīng)用須安裝多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，做為基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)的一部分。 ZigBee技術(shù)提供家庭、辦公室和工業(yè)應(yīng)用無(wú)線遙控能力，可廣泛用于家庭和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，且會(huì)有更多ZigBee裝置安裝到建筑物的基礎(chǔ)設(shè)施，使ZigBee技術(shù)更普及化。
典型的辦公室環(huán)境可能會(huì)利用ZigBee應(yīng)用裝置控制每間辦公室和會(huì)客室的空調(diào)設(shè)備及含有溫度感測(cè)器的交流電源管線，每個(gè)房間還可能有ZigBee控制的電燈開(kāi)關(guān)及設(shè)施，這些不同的設(shè)備很容易就能當(dāng)做定位引擎的參考節(jié)點(diǎn)使用，一般而言，ZigBee無(wú)線裝置只需很少程式，就能擔(dān)任ZigBee協(xié)定堆疊之上的參考節(jié)點(diǎn)。定位引擎能搜集3至16個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的資料(實(shí)際參與計(jì)算的最多8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信息)，再利用這些資料計(jì)算位置，其若收到超過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)的資料，會(huì)根據(jù)這些參考節(jié)點(diǎn)的位置排序，然后使用前面8個(gè)節(jié)點(diǎn)的RSSI值。

擴(kuò)大定位引擎連線距離
定位引擎的連線范圍為64米×64米(實(shí)際有效距離為63.75)，多數(shù)應(yīng)用卻須要涵蓋更大的范圍。有兩種方法能擴(kuò)大這個(gè)距離，其一為增加參考節(jié)點(diǎn)的輸出功率，同時(shí)降低定位引擎的計(jì)算解析度，第二種為將多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)放在較大的區(qū)域；執(zhí)行定位計(jì)算時(shí)，先找出信號(hào)最強(qiáng)的參考節(jié)點(diǎn)，然后計(jì)算其與該節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置。
第二種方法的效果較好，因不須降低精確度，就能讓定位引擎涵蓋很大的區(qū)域。網(wǎng)絡(luò)的定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)會(huì)送出一個(gè)廣播訊息，然后搜集所有相鄰參考節(jié)點(diǎn)傳回的資料，并找出信號(hào)最強(qiáng)的參考節(jié)點(diǎn)及其X和Y座標(biāo)。接著，定位引擎會(huì)計(jì)算其他節(jié)點(diǎn)相對(duì)于該參考節(jié)點(diǎn)的座標(biāo)，處理完這些資料后，只要再加上最近參考節(jié)點(diǎn)的位移值，即可得到其在這個(gè)龐大網(wǎng)絡(luò)里的實(shí)際位置。

天花板和地板無(wú)論在室內(nèi)或室外環(huán)境都會(huì)吸收信號(hào)，因此選擇參考節(jié)點(diǎn)位置時(shí)必須將這些因素列入考慮，才能提供最遠(yuǎn)的連線距離。最理想的情形是讓所有節(jié)點(diǎn)的高度相同，并且遠(yuǎn)離地面、天花板和墻壁，但這在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)布建卻很難做到。此時(shí)，不妨將參考節(jié)點(diǎn)固定在天花板或略低于天花板的位置，并將天線倒置以便射頻信號(hào)向外和向下傳送，至于定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)，無(wú)論是手提式或固定在某些設(shè)備，其高度都應(yīng)位于一般人站立時(shí)的頭部和腰部之間。這種設(shè)定方式將天花板和地板吸收的信號(hào)減到最少，同時(shí)將人員和其他物體在環(huán)境中不斷移動(dòng)所造成的干擾降低最低。

為了計(jì)算室內(nèi)效能，此處以一個(gè)包含八個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的辦公室網(wǎng)絡(luò)為例。這些參考節(jié)點(diǎn)分布在各角落和其他有空間的地方，如辦公室家具和其他設(shè)施的表面，高度則介于腰部和肩膀之間，把這8個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為A～H，在ZigBee(CC2431)定位系統(tǒng)中最高分辨率為0.25米。
位置估計(jì)值是由6個(gè)預(yù)先選擇的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)搜集，每個(gè)定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)還會(huì)將每次定位計(jì)算所得到的20個(gè)讀數(shù)平均，其結(jié)果如表1所示。

搜集完4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的資料后，再把另外4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)加入系統(tǒng)，然后同樣計(jì)算這4個(gè)定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)值，計(jì)算新加入的參考節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)位置估計(jì)值產(chǎn)生多大影響，使用8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果如表2所示。所有數(shù)據(jù)都以米為單位，其中編號(hào)2～4所有的數(shù)據(jù)皆在網(wǎng)格范圍內(nèi)。

從表1和表2可看出，只要節(jié)點(diǎn)位置在網(wǎng)絡(luò)周邊范圍內(nèi)，定位精確度就可大幅提高，除此之外，定位精確度也會(huì)隨著參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)目增多而提高。如把另外4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)加入這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，不但4個(gè)定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)的定位更精確，標(biāo)準(zhǔn)差也比較小，亦即數(shù)據(jù)更一致。

精確度受RSSI值所處環(huán)境影響
定位引擎是利用周?chē)鷧⒖脊?jié)點(diǎn)傳來(lái)的RSSI測(cè)量值計(jì)算定位(移動(dòng))節(jié)點(diǎn)的位置，但RSSI卻會(huì)隨著許多因素改變，如天線設(shè)計(jì)、周?chē)h(huán)境和其他鄰近的射頻信號(hào)源。定位引擎會(huì)把幾個(gè)節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的位置資料平均，因此增加節(jié)點(diǎn)數(shù)目可減少對(duì)個(gè)別節(jié)點(diǎn)的依賴(lài)程度，進(jìn)而提高整體精確度。
參考節(jié)點(diǎn)的位置也會(huì)影響定位精確度，這主要是因?yàn)閰⒖脊?jié)點(diǎn)的位置很接近地板或天花板等表面時(shí)，其射頻信號(hào)會(huì)被這些表面吸收。此時(shí)不妨改用等向天線，才能將信號(hào)延著所有方向均勻傳送出去。