專利名稱：基于Zigbee網絡的室內雙向定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于Zigbee網絡的室內雙向定位方法。
背景技術：
GPS定位系統(tǒng)是應用十分廣泛和成熟的定位技術，但是微波信號很容易被建筑物等吸收和反射，因此GPS定位設備適合在室外使用，在室內環(huán)境中，由于環(huán)境情況復雜，微波信號衰減嚴重，GPS并不適用。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務和多媒體業(yè)務的快速發(fā)展，人們對位置信息的需求日益增大，特別是在相對復雜的室內環(huán)境下，如商場、圖書館、停車場、礦井等，經常需要快速準確地獲取用戶或者設備的位置。隨著物聯(lián)網時代的逐步到來，無線傳感器網絡的建立將會遍布生活中的每個角落，為此我們可以方便的利用此網絡提供室內基于位置的服務，雙向定位是指定位對象在被定位的同時也可以主動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、部署無線傳感器網絡的新技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802. 15. 4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。無線傳感器網絡中，使用無線方式與各個設備之間進行通信，在此過程中會有一個重要的參數(shù)即接收信號強度指示(RSSI)，而zigbee網絡中就是根據(jù)各個設備接收到的信號強度RSS來評價此通信鏈路的質量，從而分配最優(yōu)的路由的。由無線電波的傳播特征和電磁波室內傳播路徑損耗模型的相關知識可知RSSI與信號發(fā)射端和接收端的距離有特定的關系，根據(jù)zigbee網絡這種特性，即通過在通信過程中提取相應設備的RSSI值，設計算法來確定被定位節(jié)點在此網絡中的位置。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，就可以從服務器或監(jiān)視器端知曉被定位者的位置信息。這種zigbee網絡定位方式，沒有實現(xiàn)被定位者自身實時獲知自身位置信息。另一方面，設計的算法精度也不 高，一般都是基于路徑損耗模型來設計算法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于Zigbee網絡的室內雙向定位方法,它具有定位效率好，雙向定位精度高的優(yōu)點。本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，它包括基于Zigbee網絡的雙向定位裝置和定位算法，定位裝置的定位過程為在需定位區(qū)域中設置一定數(shù)量的參考節(jié)點(路由器)，這些節(jié)點的位置信息是已知的，協(xié)調器組網完成后，當有定位節(jié)點(終端節(jié)點)進入該區(qū)域時，其便可以獲取各個參考節(jié)點對應的RSSI值及物理地址，通過終端節(jié)點設備內的定位算法計算出移動節(jié)點在此網絡中的位置，與此同時，定位節(jié)點把自身獲取到的RSSI和物理地址數(shù)據(jù)發(fā)送給了協(xié)調器，協(xié)調器端通過RS232將此數(shù)據(jù)發(fā)送到一臺與網絡互連的計算機，這樣，在此種機制下實現(xiàn)了定位節(jié)點自身定位結果獲知以及本地或遠程端監(jiān)控定位的雙向定位模式。定位算法是基于zigbee網絡結合路徑損耗模型的指紋數(shù)據(jù)庫定位算法，針對室內具體環(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Im處的路徑損耗值，n是路徑損耗因子，因環(huán)境變化會有所變動。Lwalls是信號在墻面上總損耗值，Lfloors是信號
在地板上的總損耗值。是指實驗空間內墻面的材質種類數(shù)，awi是指第i種類型材質墻體
的損耗因子，kwi是指第i種類型材質墻體的數(shù)目。af是指地板的損耗因子，kf是指地板材質的類型數(shù)。根據(jù)上述模型建立指紋庫的過程為由于參考節(jié)點已經在室內布設，其位置已經固定，在需要定位的區(qū)域內選取采樣點即指紋信息點，且各點到各個參考節(jié)點的距離可計算或測量得出，根據(jù)公式(I)可計算出每個指紋信息點對應各個參考節(jié)點的RSSI值，將其存入數(shù)據(jù)庫，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法進行定位，突出其便捷性。本發(fā)明的技術效果是本發(fā)明可實現(xiàn)zigbee網絡高精度的雙向定位，具有方便快捷的優(yōu)點，實現(xiàn)定位對象在被定位的同時也可以主動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)明的雙向定位的過程圖。圖2為本發(fā)明路的徑損耗模型方式建立指紋庫過程圖。圖3為定位節(jié)點組成框圖。圖4為RSSI和參考節(jié)點物理地址的獲取過程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施過程對本發(fā)明做詳細闡述，1.基于Zigbee網絡的雙向定位裝置，定位過程如圖(I)所示，在需定位區(qū)域中設置一定數(shù)量的參考節(jié)點(路由器)，這些節(jié)點的位置信息是已知的，協(xié)調器組網完成后，當有定位節(jié)點(終端節(jié)點)進入該區(qū)域時，其便可以獲取各個參考節(jié)點對應的RSSI值及物理地址，通過終端節(jié)點設備內的定位算法 計算出移動節(jié)點在此網絡中的位置，與此同時，定位節(jié)點把自身獲取到的RSSI和物理地址數(shù)據(jù)發(fā)送給了協(xié)調器，協(xié)調器端通過RS232將此數(shù)據(jù)發(fā)送到一臺與網絡互連的計算機，這樣，在此種機制下實現(xiàn)了定位節(jié)點自身定位結果獲知以及本地或遠程端監(jiān)控定位的雙向定位模式。2.基于zigbee網絡結合路徑損耗模型的指紋數(shù)據(jù)庫定位算法，針對室內具體環(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 = 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Im處的路徑損耗值，n是路徑損耗因子，因環(huán)境變化會有所變動，Lwalls是信號在墻面上總損耗值，Lfloors是信號
在地板上的總損耗值是指實驗空間內墻面的材質種類數(shù)，awi是指第i種類型材質墻體
的損耗因子，kwi是指第i種類型材質墻體的數(shù)目，af是指地板的損耗因子，kf是指地板材質的類型數(shù)。根據(jù)上述模型建立指紋庫的 過程為由于參考節(jié)點已經在室內布設，其位置已經固定，在需要定位的區(qū)域內選取采樣點即指紋信息點，且各點到各個參考節(jié)點的距離可計算或測量得出，如圖2中的R1、R2、R3、R4，根據(jù)公式(I)可計算出每個指紋信息點對應各個參考節(jié)點的RSSI值，將其存入數(shù)據(jù)庫，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法進行定位，突出其便捷性。3.系統(tǒng)硬件結構
硬件部分最核心的為定位節(jié)點的設計，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)點完成，這樣設計的目的一方面是出于節(jié)能考慮，只有定位節(jié)點進入并加入此網絡后才會產生一系列定位所需的數(shù)據(jù)傳送；另一方面，網絡中的路由設備可以用作傳感器網絡中的其他功用，即不會因定位需要而獨自占用路由設備資源。定位節(jié)點設計中主處理器芯片選用了一款ARM-Cotex M3內核處理器，在其上進行自設算法的運行，計算出用戶的位置，同時設置了可以實時觀測定位結果的GUI，并且設計了一個自定標準的接口，為下一步Zigbee系統(tǒng)與GPS、IMU等設備組合制作Zigbee與GPS、IMU等多傳感器無縫定位導航裝置做準備。4.參數(shù)的獲取過程
在此定位系統(tǒng)中網絡端需要獲取的核心數(shù)據(jù)參數(shù)有兩種(I)各參考節(jié)點接收到定位節(jié)點廣播消息的RSSI ；(2)每個參考節(jié)點的物理地址。當正確獲取到相對于每個參考節(jié)點的這兩種參數(shù)后，便可以設計算法對定位節(jié)點的位置進行計算。這兩種參數(shù)的獲取流程如圖4所示，Zigbee協(xié)調器組網完成后，首先由終端節(jié)點(定位節(jié)點)向整個網絡廣播一條消息幀，這個消息也可以是偽消息。此時網絡中的所有設備都會接收到這幀數(shù)據(jù)，在這個系統(tǒng)中我們只關心各個參考節(jié)點(路由器)接收到廣播幀的情況。各個參考節(jié)點接收到消息后向消息源即定位節(jié)點發(fā)送一個應答，當定位節(jié)點接收到應答后，會根據(jù)應答數(shù)據(jù)中所提供的短地址給各個參考節(jié)點發(fā)送RSSI和物理地址數(shù)據(jù)請求，此時，各個參考節(jié)點會從其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。經歷這個過程后，定位節(jié)點獲取到了與自身位置信息相關的各個參考節(jié)點RSSI以及對應的物理地址，這時，定位節(jié)點會根據(jù)協(xié)調器的短地址再把這些數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調器，至此用來定位的兩種參數(shù)已完全獲取至IJ，并且定位節(jié)點和協(xié)調器都獲取了這兩種參數(shù)，這為雙向定位做好了準備。通過以上設計的方法，軟硬件結合，即可實現(xiàn)zigbee網絡高精度的雙向定位?；诒景l(fā)明的無線傳感器網絡，如RFID、UWB、WiFi也可以實現(xiàn)雙向定位和提出結合路徑損耗模型的 指紋數(shù)據(jù)庫定位算法。
權利要求
1.一種基于Zigbee網絡的室內雙向定位方法，其特征在于所述定位方法過程為在需定位區(qū)域中設置一定數(shù)量的參考節(jié)點，這些節(jié)點的位置信息是已知的，協(xié)調器組網完成后，當有定位節(jié)點進入該區(qū)域時，便可以獲取各個參考節(jié)點對應的RSSI值及物理地址，通過定位節(jié)點設備內的定位算法計算出移動節(jié)點在此網絡中的位置，與此同時，定位節(jié)點把自身獲取到的RSSI和物理地址數(shù)據(jù)發(fā)送給了協(xié)調器，協(xié)調器端通過RS232將此數(shù)據(jù)發(fā)送到一臺與網絡互連的計算機，這樣，在此種機制下實現(xiàn)了定位節(jié)點自身定位結果獲知以及本地或遠程端監(jiān)控定位的雙向定位模式。
2.如權利要求1所述的一種基于Zigbee網絡的室內雙向定位方法，其特征在于所述的定位算法是基于Zigbee網絡結合路徑損耗模型的指紋數(shù)據(jù)庫定位算法，針對室內具體環(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.如權利要求2所述的一種基于Zigbee網絡的室內雙向定位方法，其特征在于所述的指紋數(shù)據(jù)庫建立過程為由于參考節(jié)點已經在室內布設，其位置已經固定，在需要定位的區(qū)域內選取采樣點即指紋信息點，且各點到各個參考節(jié)點的距離可計算或測量得出，根據(jù)公式(I)可計算出每個指紋信息點對應各個參考節(jié)點的RSSI值，將其存入數(shù)據(jù)庫，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法進行定位。
全文摘要
一種基于Zigbee網絡的室內雙向定位方法，其過程為在需定位區(qū)域中設置一定數(shù)量的參考節(jié)點，這些節(jié)點的位置信息是已知的，協(xié)調器組網完成后，當有定位節(jié)點進入該區(qū)域時，便可以獲取各個參考節(jié)點對應的RSSI值及物理地址，通過定位節(jié)點設備內的定位算法計算出移動節(jié)點在此網絡中的位置，與此同時，定位節(jié)點把自身獲取到的RSSI和物理地址數(shù)據(jù)發(fā)送給了協(xié)調器，協(xié)調器端通過RS232將此數(shù)據(jù)發(fā)送到一臺與網絡互連的計算機。發(fā)明可實現(xiàn)zigbee網絡高精度的雙向定位，具有方便快捷的優(yōu)點，實現(xiàn)定位對象在被定位的同時也可以主動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H04B17/00GK103068038SQ201210541710
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權日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 申請人:南昌大學