（计算机应用技术专业论文）基于zigbee技术的室内定位系统设计.pdf

摘要 随着人们生活质量的不断提高，室内物品以及人员的位置感知计算、基于位 置的服务显得越来越重要。典型的例子有资源查找、参观导航、会议指南、寻找 老人儿童、节能控制、设备资产管理等。而如何确定室内物品以及人员的位置是 实现基于位置服务的核心问题。针对现有室内定位系统存在的问题，本文提出并 设计了一种基于z i g b e e 技术的室内定位系统。设计的系统达到了预期的要求， 系统的定位精度可以满足室内人员等移动目标的定位应用。该系统具有低成本、 低功耗、低复杂度、较高的定位精度、方便部署和拆除等诸多优点。 本论文主要的研究内容和成果： 1 、对现有的室内定位系统进行分析，总结现有的室内定位系统的优点和存在 的不足。本文侧重于研究定位系统的实现以及系统的定位精度、系统成本、 低功耗、定位速度等，而定位系统的人机界面等不做过多研究。 2 、研究z i g b e e 网络的拓扑结构、网络层协议对定位系统的性能的影响。从定 位系统的延时和功耗角度出发设计了树状结构的网络拓扑结构，从系统的可 靠性角度出发提出了一种有助于改善z i g b e e 网络健壮性的“乒乓机制一。 3 、针对r s s 具有随机性的特点，提出了基于概率统计原理的r s s 样本数据预 处理的方法，实验表明使用该方法可以提高系统的定位准确度和精度。 4 、提出定位系统的总体设计方案，按照系统的设计目标设计并实现定位系统的 硬件系统和软件系统。 5 、设计室内定位系统实验测试环境，对本系统在测试场所进行实地测试，并且 对实验结果从定位精确度、系统实时性、系统可用性等方便进行分析和总结， 对后期的工作提出进一步的打算。 一 关键词：z i g b e e ，室内定位，指纹，r s s i ，i e e e8 0 2 1 5 4 论文类型：应用研究 本项目作为2 0 0 5 年上海市“联盟计划”资助项目远程电表管理系统中的 通信方案及其实现的延伸项目，在项目实施过程中得到了“联盟计划 的资助。 a b s t r a c t s e n ，i c e sb a s e d0 n1 0 c a t i o na r eb e c 0 m i n gm o r ea n dm o r ei m p 0 n t t h e t y p i c a ia p p c a t i o n si n c i u d e r e s o u r c er e t r e v a i ，s j t o r n a v j g a t j o n ， a n d c 0 n f e r e n c eg u i d a n c e ，s e a r c h i n gf o rt h ee i d e r i ya n dc h d r e n ，e q u i p m e n t a s s e tm a n a g e m e n t ，a n dm e d i c a lr e s c u i n ga n ds oo n t h ek e yq u e s t i o no f s e r v i c e sb a s e do n1 0 c a t i o ni sh o wt 0c 0 m p u t et h ei n d 0 0 r9 0 0 d s 0 rp e o p i e s 1 0 c a t i o n t bi m p r 0 v et h ec u r r e n ti n d 0 0 rp o s i t i o n i n g s y s t e m ， t h i sa n j c i e p r o p o s e da n dd e s i g n e da ni n d 0 0 rp o s i t 0 n i n gs y s t e mb a s e d0 nz i g b e e t e c h n o l o g y t h j ss y s t e mi sf e a t u r e dw t hl o wc o s t ，i o wp o w er ，i o wc o m p l e i m h i g hp r e c i s i o n ，a n dm a n y0 t h e rm e r i t s i nt h i sp a p er ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t i n c i u d e s ： 1 i nt h i sp a p er ，c u r r e n tj n d 0 0 rp o s j t j o n j n gs y s t e m sa r ea n a i y z e d ，a n dt h e i r a d v a n t a g e sa n dp r o b i e m sa r es u m m a n z e d t h e n ，t h i sp a p e rd e s i g n e da n d i m p i e m e n t e d0 n e0 ft h i si m p r o v e ds y s t e m 2 f i n g e r p r i n t l o c a t i o n a i g o r i t h m i s i m p r 0 v e d ， a n dc e n t r d i da j d e d 1 0 c a z a t i o na 1 9 0r i t h mi sp r o p o s e d m 0 r e o v e r p r o b a b i t yb a s e dr s s id a t a p r e p r o c e s s j n gm e t h o di sp r o p o s e d 。a n de p e r i m e n tr e s u i ts h 0 w st h a tt h i s m e t l l o di m p r 0 v e dt 1 ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o n 3 z i g b e et o p o l o g i c a is t r u c t u 他i s 陀s e a r c h e d ：i m p a c t s0 fn e m 0 r ki a y e r p r o t o c 0 i s0 np o s i t i o n i n gp e r l o r m a n c ea r ea n a i y z e d t h i sp a p e rp r o p o s e d0 n e m e t h o dt h a ti m p r 0 v e sz i gb e en e m o 水r o b u s t n e s sa n dt - m ed e i a yb yu s i n gt r e e t o p o l o g i c a is t r u c t u r ea n da 1 9 0 r t h mn a m e dp i n gp a n g 4 t h ef r a m e w 0 r k0 ft h i ss y s t e mi s d e s i g n e d ，i n c i u d i n gs o f l w a r ed e s i g n a n dh a r d 、f v a r ed e s i g n 5 e x p e r i m e n t a le n v - r o n m e n t sa r ew e d e s i g n e d ，a n de p e r i m e n t sa r e c o n d u c t e d ，t h er o b u s t n e s s ，p o s i t o n i n gp r e c i s i o n ，r e a i - t - m eq u a i i ms y s t e m f e a s i b i l i ma r ea n a i y z e d a n df u t u r er e s e a r c hw o r ki sp l a n e d k e y w o r d s ：z j g b e e ，i n d 0 0 rl 0 c a t i o n ，f i n g e r pr n t ，r s s i ，i e e e8 0 2 15 4 i i 学位论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 作者签名：亏；弓l 日期：砀f 哆 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者躲狮吼埸j 夕聊签名他：6 m i 多 上海师范大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 1 1 课题研究背景 室外定位技术提出较早，发展相当快，成果显著。相比而言，室内定位技术 起步较晚，是一个崭新的领域，但同时也是一个相当重要的领域。特别是美国9 11 事件中，大量人员，包括后期进入大楼进行救援的消防人员，由于无法与外界通 信以及在室内的位置不明确，最后纷纷葬身火海中。这出惨剧凸显出室内定位系 统的重要作用和对它的急迫的需要。 由于近年来数据和多媒体业务的快速增加，使得人们对定位与导航的需求日 益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地 下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室 内的位置信息。将位置信息合理的组织并发送到用户和位置信息处理中心，可以 给用户提供各种信息，实现广泛的数字生活。用户的位置信息和用户个人信息相 结合，对于移动网络的规划、吞吐量平衡、用户附近信息的寄存、无线电资源的 控制和设计其他的附加功能都有着显著的意义【1 1 。此外，越来越多的应用程序也 需要使用室内定位信息实现自身的功能。同时，定位服务在公共安全领域也受 到越来越多的重视。 基于g p s ( g l o b a ip o s i t i o n i n gs y s t e m ) 闭的室外定位系统的成功应用给室 内定位系统研究和开发提供了巨大的动力。但是由于室内环境的特殊性以及室内 定位在精度及其它方面的要求，g p s 定位及蜂窝网无线定位等方法都不能直接 应用到室内定位中。g p s 信号非常微弱，在室内或车内一般都接收不到信号。如 果要用g p s 进行室内定位，则必须使用接插式外接天线或感应式天线。另外，考 虑到g p s 的成本较高，对某些应用场合，在定位对象上安装g p s 接收机也是不 现实的。蜂窝网无线定位所能达到的定位精度在几十到上百米，因而不能确定定 位日标的具体房间，并且，由于室内环境的多径和反射严重，无线定位的精度在 室内会变差，因而使很多基于室内位置的服务变得没有意义。 因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案【3 。1 2 1 ，如a g p s ( a s s i s t a n t g p s ) 定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超 宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机 视觉定位技术等等。这些室内定位技术从总体上可归纳为几类，即g n s s 技术 1 第一章前言 上海师范大学硕士学位论文 ( g i o b a in a v i g a t i o ns a t e i l i t es y s t e m ) ，无线定位技术( 无线通信信号、射 频无线标签、超声波、光跟踪、无线传感器定位技术等) ，其它定位技术( 计算 机视觉、航位推算等) ，以及g n s s 和无线定位组合的定位技术( a g p s 或 a g n s s ) 。但是受定位时间、定位精度、设备复杂性以及复杂室内环境等条件 的限制，目前比较完善而且价格相对低廉的室内定位系统还很少。 1 2 国内外研究现状 19 9 3 年a t & t 提出的红外感应定位系统即a c t i v eb a d g e 系统【1 3 1 ，a c t i v e b a d g e 定位系统的优点是因为使用了红外通信，因此功耗极低，同时也可以做到 很小的体积。但是系统存在以下不足： 过程复杂，延迟时间过长。每个移动目标发射出信号要经过一个集中的处理 以后才能返回结果。15 秒发射一次信号，即大概15 秒才能得到一次位置坐标， 这样对于定位一些在室内不停移动的目标来说其定位速度就显得太慢。 定位系统采用的是有线连接方式设计。系统不仅需要有以太网线的支持，而 且还需要多个工作站。这样做提高了系统的运行成本和布置难度。 2 0 0 0 年微软公司研发的基于r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 技术的f i a d a r ( r a d i o d e t e c t i o na n dr a n g i n g ) 系统，该系统采用8 0 2 11 网络对于空间进行定位。但是 该定位系统需要建立在8 0 2 11 网络设施基础之上，而且系统定位精度也有待提 高。 2 0 0 0 年m i t 实验室研发的c r i c k e t 系统，目前该系统的软件版本已经更新到 2 3 2 。该系统是采用超声波定位的典型例子，它采用超声波时延信号进行定位， 其优点是定位精度较高。但是该系统由于需要同时发射r f 和超声波信号，因此 需要较高的底层硬件设施投资，而且系统功耗也比较大。 尤比森斯公司开发的新型定位系统s e r i e s7 0 0 0 ，该系统采用u w b 进行实时 定位，该定位系统在三维空间具有15 c m 的定位精度，该定位系统成本偏高，在 定位精度要求不高而定位系统成本有要求的场合就不适合。 目前国内从事室内定位技术研究的机构主要集中在科研院所和高校。复旦大 学提出的室内c d m a 用户定位方法和基于接收信号强度测量的室内定位算法，目 前该算法还停留在实验仿真阶段。 西安交通大学从事的基于无线局域网的用户定位，该定位系统的定位算法建 2 上海师范大学硕士学位论文第一章前言 立在无线局域网的硬件基础设施之上，因此在一些没有无线局域网的地点就无法 定位或者需要预先铺设室内局域网。因此该定位系统就存在较大的局限性。 除了上面所提到的一些比较典型的国内外关于室内定位所采用的技术之外 还有其它一些室内定位技术，例如b a t 定位系统、c o n s t e a t i o n 追踪系统等。 1 3 课题的目标 本论文对比国内外室内定位跟踪系统，对l e e e8 0 2 15 4 亿i g b e e 网络环境 下的室内移动目标定位进行研究，提出基于z i g b e e 技术的室内定位系统设计框 架。课题研究希望所设计的室内定位系统具有下面几个方面的特点： ( 1 ) 较高的定位精度：针对通常情况下对室内人员或者物品定位所需要的精度 要求，本系统的定位精度设计预期达到1m 左右。 ( 2 ) 较低的系统成本：设计的定位系统的总成本希望普通个人用户都有能力使 用该系统。 ( 3 ) 实时性方面：设计的定位系统能够满足目标在室内不停移动( 诸如人员走 动、汽车缓慢驶入驶出车库) 情况下的实时性要求。 ( 4 ) 较低的系统功耗：系统采用电池供电情况下预期可以工作半年以上。 1 4 论文的主要工作和内容安排 本论文将首先研究室内定位技术和i e e e8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 协议，然 后针对现有的定位系统存在的不足提出本系统的设计预期目标。第三，研究定位 系统的硬件、软件、定位算法的设计，使得设计的定位系统在后期的测试中能过 满足设计指出提出的四项指标：较高的定位精度、较低的系统成本、较高的系统 实时性和较低的系统功耗。 本论文的内容安排具体如下： 第一章前言：介绍了本论文的研究背景、国内外研究现状、目标和工作安排。 第二章室内定位技术：阐述了室内定位的特点以及室内定位系统的常见的分类 方法，详细介绍了基于r s s i 的z i g b e e 室内定位系统。 第三章z i g b e e 技术：介绍了i e e e8 0 2 15 4 亿i g b e e 技术特点，z i g b e e 网络的 拓扑结构和网络设备，阐述了z i g b e e 技术的物理层、媒体访问控制层、 网络层、应用层等各层协议的特点和主要功能。 第四章定位系统设计：主要介绍定位系统设计中使用的开发工具；定位系统设 3 第一章前言 上海师范大学硕士学位论文 4 计过程中主要涉及到的一些问题；以及介绍定位系统的软件和硬件设计 的具体内容。 第五章实验及结果分析：设计实验的测试环境，并且利用测试环境对系统的性 能进行测试和总结，对定位算法提出改进。 第六章总结与展望：对本文中提出的定位系统设计方案进行了总结，对未来的 工作提出了展望。 上海师范大学硕士学位论文 第二章室内定位技术 第二章室内定位技术 2 1 室内定位的特点及应用 虽然室内定位是定位技术的一种，和室外定位技术相比有一定的共性，但是 室内环境的复杂性和对定位精度和安全性的特殊要求，使得室内无线定位技术有 着不同于普通定位系统的鲜明特点，而且这些特点是室外定位技术所不具备的。 室内定位范围相对较小，因此对定位的精度要求相对而言较室外定位要求较 高。室内信号微弱，且多径、反射现象严重，故要求定位算法对各种误差的鲁棒 性要强。室内定位的应用场合通常决定了定位设备简单、功耗小、计算量和通信 开销也不能太大，在特殊场合还需要考虑不对室内其它设备造成干扰。 室内定位可以应用在智能家庭【14 】a n ( w i r e i e s sl 0 c a ia r e an e t w o r k ) 以及 传感器网络定位等方面。在一个智能家庭环境中，各种数字多媒体设备，如数码 摄像机、m p 3 播放器、数字电视、计算机、投影仪及其它各种智能家电等，根据 需要在小范围内组成自组织( a dh o c ) 的网络，在具备各设备位置信息的条件下， 就可以相互传送多媒体数据。在一个w l a n 内，例如：办公室、购物商场、医院、 博物馆、飞机场等，也可开展很多基于位置的服务，如在商业上用于找出所需的 物品或人，以及基于特定位置的广告和服务。在传感器网络中，位置信息更是环 境监测、医疗卫生、制造业等领域不可缺少的资源。由此可见，室内定位的市场 巨大，基于位置的服务将给人们带来更加高效、便捷的生活【伺。 2 2 室内定位系统的分类 根据节点是否已知自身的位置，可以将通信节点分为信标节点( b e a c o n n o d e ) 和未知节点( u n k n o w nn o d e ) 。信标节点在网络节点中的位置可以通过 预先设定等方法来获得精确位置。信标节点是未知节点定位的参考点。除了信标 节点外，其它节点就是未知节点，它们通过信标节点的未知信息来确定自身位置。 定位算法通常有以下几种分类： 室内定位系统按照不同的分类标准可以分为不同种类的定位系统，下面简单 介绍一下这些定位系统及其特点。 ( 1 ) 按照通信手段分类 g p s 定位技术 5 第二章室内定位技术 上海师范大学硕士学位论文 g p s 定位技术是一种成熟的室外定位技术，但是当g p s 接收机在室内工作 时，g p s 信号由于受到建筑物的遮挡而大大衰减，使得室内g p s 信号十分微弱， 要想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的。为了 得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间。a g p s ( a s s i s t e dg p s ) 技术为这个问题的解决提供了可能性，但是引入该技术实现 比较复杂。 超声波定位技术( u i t r a s o n j cp o s o n j n gt e c h n o i o g i e s ) 超声波定位技术大都采用反射式测距法，即发射超声波并接收由被测物产生 回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，有的则采用单向测距法。由 于超声波以较低的速度传播( 3 4 3 m s ) ，因此使用超声波进行室内定位可以获 得较高的定位精度。此外超声波定位设备相对而言比较简单而且价格低廉。但是 超声波无法穿透墙壁和一些障碍物，而且在室内会存在多径反射现象。超声波的 性能还会随温度而产生比较大的变化。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 及红外( i n f r a r e d ) 定位技术 蓝牙是一种短距离低功耗的无线传输技术，支持点到点、点到多点的话音和 数据业务，可以实现不同设备之间的短距离无线互联。在室内安装蓝牙局域网接 入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入始 终是这个微微网( p i c on e t ) 的主设备( m a s t e r ) ，就可以获得用户的位置信息，实现 利用蓝牙技术定位的目的。其优点是容易发现设备且信号传输不受视距的影响， 缺点是目前蓝牙器件和设备价格昂贵而且蓝牙协议栈比较复杂。 利用红外技术可以实现室内用户的定位服务，但是红外不能穿透墙壁或者障 碍物，所以红外技术实现室内定位没有被广泛接受。 基于r f 的室内定位技术1 1 明 r f 信号可以穿透常见的建筑材料，因此r f 在室内环境下可以达到很远的距 离。通过使用一组相互间可以通信的r f 基站，并且通过测量接收信号功率( r s s ) 、 来波方向( a o a ) 、信号到达时间差丌d o a ) 或者信号到达时问延迟丌o a ) 等来进行 定位。利用r f 技术实现室内定位具有非接触、非视距等特点，已成为优选的定 位技术。使用这种定位技术实现的定位系统可以在毫秒级别时间内得到米级甚至 厘米级别定位精度的信息，其传输范围很大，成本很低，因此本文所设计的定位 系统就采用基于r f 的室内定位技术。 6 上海师范大学硕士学位论文第二章室内定位技术 下面对几种在室内定位系统中常用的无线传输方式的性能进行了比较，见表 2 1 ： 表2 1 几种常见的无线传输方式性能比较【1 6 】【1 7 1 w f ib i u e t o o t hz i a b e e 特征l r d a v ( 8 0 2 11 b )( 8 0 2 1 5 1 )( 8 0 2 1 5 4 ) 电池功耗小时一周 几个月半年到一年 复杂性复杂非常复杂简单比较简单 节点数3 2722 5 5 6 5 0 0 0 反应时间典型值3 s典型值1 0 s典型3 0 m s 作用范围10 0 m10 m定向1m5 0 10 0 m 可扩展性可漫游不可扩展不可扩展可扩展 数据传输率 1 1 m b p s1 m b p s1 6 m b p s2 5 0 k b p s 从系统的低成本、低复杂性、实时性、可扩展性出发，发现在室内定位系统 中采用z i g b e e 无线技术是一个比较理想的选择。 ( 2 ) 按照测量所采用的技术分类 基于t o a 的定位：在基于到达时间( t o a ) 的定位机制中，已知信号的传 播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用和距离有关的定位 算法计算出节点的位置，在室内环境下 基于t d o a 的定位：在基于到达时间差( t d o a ) 的定位机制中，发射节点 同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号达到的时间差以 及这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过和距离有关的定位 算法计算出节点的位置。c r i c k e t 系统【2 8 ：l 和a h l o s 系统就是利用t d o a 进行定 。位的系统 基于a o a 的定位：在基于到达角度( a o a ) 的定位机制中，接收节点通过 天线阵列或多个超声波接收机感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和发 射节点之间的相对方位或角度，再通过三角测量法计算出节点的位置。 基于t o a 和t d o a 技术的定位依赖于在发射器和接收器之间的精确定时同 步，这样对系统的硬件要求比较高，这就大大增加了系统的复杂性和系统的成本。 而基于a o a 技术的定位系统需要额外增加定向天线或者天线阵列，同样也增加 了系统复杂性和成本，而且a o a 技术也易受外界环境的影响。 第二章室内定位技术 上海师范大学硕士学位论文 基于r s s i ( r e c e i v e ds j g n a is t r e n g t hi n d i c a t i o n ) 的定位嘲：在基于接收 信号强度指示( r s s i ) 的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根 据收到信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用理论或者经验模型将传输损耗 转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。r a d a r 系统【2 5 l 就是一个 基于r s s i 技术的室内定位系统，用以确定用户节点在楼层内的位置。但是在实 际的环境中，温度、障碍物、传播模式等条件往往是变化的，因此定位精度往往 不理想，所以使得该技术在实际应用中仍然存在许多困难。 定位指纹【12 】【2 4 】或者定位模式匹配技术在实际定位前，在需要定位的室内选取 若干测试点，然后记录在这些点上各个基站接到的信号强度( 信号由移动目标发 出) ，建立各个点上的位置和信号强度关系的离线数据库。实际定位时，根据测 得的信号强度和数据库中记录的信号强度进行比较，差别最小的那个点的坐标就 作为移动目标的当前坐标。该定位方法具有较高的定位精度，但是要预先建立位 置和信号强度关系数据库，当定位场所改变之后需要重新建立该关系数据库。 ( 3 ) 定位技术其它分类标准 其它常见的定位分类标准有：基于距离的和距离无关的定位技术、递增式的 定位技术和并发式的定位技术、基于信标节点的定位技术和无信标节点的定位技 术、物理定位与符号定位技术、绝对定位与相对定位技术以及集中式定位与分布 式定位技术等。 基于上面的讨论以及本系统设计的目标，确定本文所实现的定位系统为基于 r s s i 技术的指纹定位系统。 2 3 基于r s s i 的z i g b e e 无线网络室内定位系统 r s s i 定义为由接收器接收到的信号强度指示。通常，r s s i 等价于被测量的 功率，即信号强度的平方。r s s i 可以认为是超声波、r f 或其他信号。r s s i 测量 在硬件上是相当便宜和简单的，因为几乎所有的无线通信设备都具有测量r s s 的功能。 i e e e8 0 2 15 4 亿i g b e e 无限个人局域网技术的快速发展为使用该技术实现室 内基于r s s i 的指纹定位提供了广阔的前景。使用该技术实现的室内定位系统具 有低功耗、低成本的特点，而且系统可以选择使用集中式的定位服务器或者让移 动目标实现自定位两种方式而具有很大的灵活性。该系统在实际定位之前需要经 8 上海师范大学硕士学位论文第二章室内定位技术 过一个训练阶段，在训练阶段需要为室内的定位点收集定位指纹信息。下面将分 别介绍一下定位指纹和定位算法的相关内容【1 5 】删【2 1 儿2 2 】。 ( 1 ) 定位指纹 基于诸如r s s i 等r f 特征的位置指纹是用来标识位置的一个基本信息。这是 基于下面的一个假设前提：在建筑物内的每一个位置都具有唯一的r f 特征向量 值。通常我们将一个位置和该位置处的唯一的r f 特征值作为一个整体用来描述 建筑物内的某一个位置。例如我们可以使用元组( l ，f ) 来标识一个位置，其 中l 反映该位置的坐标或这类似信息，f 反映该位置的r f 特征值信息。例如在本 论文中l 就用元组l = ( x ，y ) ix ，y r 2 ) 。因为同一个位置如果目标的方位不同 所测量到的r f 信息也会有所变化，所以如果还要反映移动目标的方向信息，那 么可以用元组l = ( x ，y ，d ) lx ，y r 2 ，d 东，南，西，北h 来标识一个目 标节点的位置信息。 通常在实际开始定位之前需要建立一个基本的指纹库，我们将该过程称为离 线阶段( o 仟1 n ep h a s e ) 。首先为室内需要定位的位置在一个合适的时间段内采 集到所有访问接入点( a c c e s sp o i n t ) 的一批r s s 样本数据，然后计算出这些访 问接入点的平均r s s 值并且将该值作为一个元素保存在定位指纹库中。对于一个 有n 个访问接入点的区域如果采样时间段为t 那么该位置的r s s 样本数据f 就是： f = ( b1 ，b2 bn ) 。 除了在离线阶段建立的基本指纹库之外，在在线阶段( o n i n ep h a s e ) ，也 就是定位阶段所测量的r s s 数据对于跟踪移动目标也是至关重要的。首先，必须 选择合适的r s s 采样次数来反映移动目标的定位指纹信息。其次通常需要对采样 的样本数据进行一些预处理，通过对样本数据进行预处理不仅可以提高系统的定 位精度而且还可以提高定位的速度、降低网络内部的通信流量以及降低系统的功 耗。 ( 2 )定位算法 定位算法通过发掘定位阶段获得的采样信息与位置指纹数据库之间存在的 某种依赖关系，从而从r s s 采样数据信息来判断处目标的位置。本系统采用定位 算法是目前最常使用的欧式距离算法。 欧式距离算法的基本思想如下，首先关于n 个位置的r f 指纹信息以数组 f 1 ， f 2 f 矗的形式标示，此外和这些r f 指纹信息相对应的n 个位置的位置信息以数 9 第二章室内定位技术上海师范大学硕士学位论文 组 l 1 ，l 2 表示。在位置指纹库中第i 个位置的位置指纹信息以数组f = b1 ，b2 bm 表示，其中m 表示一共有m 个访问接入点。在定位阶段收集到 的r s s 信息以数组s i = s 1 ，s 2 s m 表示。最简单的指纹模式匹配算法就是 在位置指纹库中找出和采样信息距离最近的那个点，该点就作为移动目标的当前 位置。也就是： d i s t ( s ，f j ) d i s t ( s ，f k ) ，对于所有的k j 2 4 本章小结 本章首先分析了室内定位技术的特点及应用，然后详细分析了室内定位系统 的分类并对现有的一些室内定位系统的优缺点进行了分析和对比。最后介绍了基 于r s s l 的z i g b e e 技术的无线室内定位系统，并且阐述了指纹定位和定位算法的 具体内容。 1 0 上海师范大学硕士学位论文 第三章z i g b e e 技术简介 第三章z i g b e e 技术简介 3 1i e e e8 0 2 15 4 标准和z i g b e e 协议 i e e e8 0 2 1 5 4 标准为l r w p a n 网络制定了物理层( p h y ) 和介质访问控 制( m a c ) 子层低功耗扩频无线电技术协议。主要特点如下嘲： ( 1 ) 有多个物理层载波频段提供不同的数据传输速率。2 4 g h z 频段提供 2 5 0 k b i 垤的传输速率；而9 15 m h z 频段( 北美) ，速率为4 0 k b i 垤：8 6 8 m h z 频段( 欧洲) ，为2 0 k b i 怕。 ( 2 ) 支持星型、簇树和点对点网络拓扑结构。 ( 3 ) 有16 位短地址和可选6 4 位扩展地址两种地址格式。 ( 4 ) 支持冲突避免的载波多路侦听技术( c a r r e rs e n s em u m p l ea c c e s sw - t h c 0 川s i o na v o i d a n c e ，c s m a - c a ) ； ( 5 ) 支持确认( a c k ) 机制，保证传输可靠性。 由于i e e e8 0 2 1 5 4 标准仅仅定义了物理层和介质访问层的标准，因此为 使基于该标准的产品设计、开发、系统应用在世界范围内有互通性并与现有应用 系统兼容，在i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准公布的同时，由世界上主要i t 企业成立的 z l g b e e 联盟，制定了与之相配套的网络层及应用层的协议。z i g b e e 联盟基于 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，考虑到可能的各种简单应用需求，制定了相应的以低功耗、 低成本、实现简单及允许不同厂商制造的设备相互通信为目标的应用协议。 应用层应用层 t 室= 日用厂 农刁i 压 l | 匝用程序接口( a p i ) l 会话层 倍蝓犀 安全3 2 ，6 4 儿蕊加密 图3 1 完整z i g b e e 协议栈示意图 第三章z i g b e e 技术简介 上海师范大学硕士学位论文 由i e e e8 0 2 1 5 4 标准的p h y 和m a c 层规范再加上z j g b e e 联盟制定的网 络层和应用支持层就构成了完整的i e e e8 0 2 1 5 4 亿i g b e e 协议，简称z j g b e e 协议栈，原理结构如图3 1 刚，它满足国际标准组织( i s o ) 开放系统互连( o s i ) 参 考模式，定义了单一的m a c 层和多样的物理层。其突出的特点是网络系统支持 极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性 等。 。 ， 3 2i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 网络简介 当低速无线个人局域网的物理层和介质接入控制层符合i e e e 8 0 2 15 4 标 准，而网络层遵循z i g b e e 协议，此网络称8 0 2 1 5 4 亿i g b e e 网络。从物理层和 介质接入控制层的角度也称8 0 2 15 4 网络，从网络层协议的角度又可称z i g b e e 网络。该网络可以由极低功率消耗，一般在个人操作空间内工作的简单器件组成； 有两种主要网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10 米时的多跳对等拓扑。 3 2 1 l e e e 8 舵15 4 网络设备结构【矧 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议中明确定义了两种拓扑结构：星型结构( s i a r ) 、 和网状结构( m e s h ) ，如图3 2 所示。可见，网络由两种基本的物理设备即全功 能设备和简化功能设备构成。 全功能设备( f u i if u n c 廿o nd e v i c e ，f f d ) ：可以支持任何一种拓扑结构， 可以作为网络协调器和普通协调器，并且可以和任何一种设备进行通 信。 简化功能设备( r e d u c e df u n d i o nd e v j c e ，r f d ) ：只支持星型结构，不 能成为任何协调器，但可以和( 网络) 协调器进行通信，实现简单。 p a n 协调器 f f d r f d a 星状网 b 网状网9 数据链路 图3 2l r - w p a n 的两种网络拓扑 3 2 2i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 网络的拓扑结构 由图3 2 可见，全功能设备之间以及全功能设备与简化功能设备之间都可 以通信，但r f d 之间不能直接通信，只能与f f d 通信，或者通过一个f f d 向 1 2 上海师范大学硕士学位论文 第三章z i g b e e 技术简介 外转发数据。从低功耗、低成本的角度，简化功能设备常作为z i g b e e 终端设备。 其次，与r f d 相关联的f f d 称为该r f d 的协调器( c o or d n a t o r ) ，z i g b e e 网 络中的z i g b e e 路由器也可充当该协调器；第三，不管网络采取什么样的网络拓 扑，总有一个称为p a n 网络协调器( p a nc o or d n a t o r ) 的f f d ，它是l r - w p a n 网络中的主控制器，在z i g b e e 网络中又称为z i g b e e 协调器。 一 p a n 协调器( 简称网络协调器) 的主要功能是完成为建立和启动网络这一过 程设置参数，其中包括选择一个射频信道、唯一的网络标识符以及一系列操作参 数；同时担任成员身份管理、链路状态信息管理、分组转发等任务并直接参与应 用。 协调器亿i g b e e 路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够用来拓 展网络的范围。 r f d 亿i g b e e 终端设备不参与路由选择。主要用于简单的控制应用，这样 r f d 可以采用非常廉价的实现方案。 3 2 3 网络拓扑的形成过程 i e e e8 0 2 。1 5 4 亿i g b e e 网络根据应用的需要可以组织成星型网络，也可以组 织成点对点网络。在星型结构中，所有设备都与p a n 协调器通信。与星型网络 不同，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之都可 以直接通信。 i e e e 8 0 2 1 5 4 亿i g b e e 网络可以自动形成，安装简单。网络设备围绕网络协 调器形成分层网络。此外，树形路由选择可和表格驱动的路由选择相结合，为开 发商提供了操作上的灵活性和各种性价比方案，从而支持z i g b e e 联盟的低成本、 可伸缩网络基础设施的目标。图3 3 是z i g b e e 网络的原理示意图。 第三章z i g b e e 技术简介 上海师范人学硕士学位论文 m o 一 彩蒋 甜时塞 图3 3z i g b e e 网络结构的原理 雕蚪c ，网络协调器建立网络并为之设置参数 r ，z i 曲e e 路由器与网络协调器或已存在的路由器通信，并加入网络 e ，z 培b e e 终端设备可以和协调器z i g b e e 路由器、网络协调器进行通信并加入网络 通信流量在默认时遵循树形结构选择路由 如果路由器有能力可以计算通向特定宿地址的最优路径并存储在路由表中备用 3 3i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 网络主要特点 3 3 1 工作频段和数据速率 在i e e e8 0 2 。15 4 中，总共分配了2 7 个具有三种速率的信道：在2 4 g h z 频 段有1 6 个速率为2 5 0 k b i t s ( 或6 2 5ks y m b o i s ) 的信道，在9 1 5 m h z 频段有 1 0 个4 0 k b i 怕( 或4 0 k s y m b o i s ) 的信道，在8 6 8 m h z 频段有1 个2 0 k b i 垤( 或 2 0 k s y m b o i s ) 的信道。整个频段处于免许可证的工业、科学和医疗频段。 从能量和成本效率来看，可以根据应用需求、拥挤状况和数据速率在27 个 信道中选择一个较好的工作信道。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具， 可能需要2 5 0 k b i 垤，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电 器等，2 0 k b i 怕这样的低速率就能满足要求。 3 3 2 支持简单器件 在i e e e8 0 2 15 4 中定义了14 个物理层基本参数和3 5 个介质接入控制层基 本参数，总共为4 9 个，仅为蓝牙协议的三分之一。这使该网络中的简单器件在 有限的存储能力和计算能力下具有低功耗和短距离传输的特点。这种简单器件的 使用保证了z ；g b e e 网络的低成本。 1 4 上海师范大学硕士学位论文 第三章z i g b e e 技术简介 l r w p a n 中的器件既可以使用在关联过程中指配的1 6 位短地址，也可使 用6 4 位扩展地址。若用1 6 位的器件短地址，一个i e e e 8 0 2 1 5 4 网可以容纳 2 1 6 个器件。总体看来，z i g b e e 网络可达到的覆盖范围和容量很大。 3 3 3 信标方式和超帧结构 i e e e8 0 2 15 4 z i g b e e 网络可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在 信标使能方式中，协调器定期广播信标，以达到相关器件同步及其他目的。在非 信标使能方式中，协调器仅在器件请求信标时向它单播信标。在信标使能方式中 使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义，可包含活动部分和不活动部 分，在不活动部分，协调器可处于休眠状态，以利于节能。对于低传输延迟、或 有数据带宽要求的应用场合，p a n 协调器可以将活动超帧中部分时隙指配为保 证时隙( g t s ) ，以便于这类应用按需使用。图3 4 给出了i e e e 8 0 2 1 4 5 具有 节能特点的超帧结构示意陶。 c i i p ( c o i l t m t i o n f r e e p 甜o d ) ：非竞争访问期 g r r s ( g a r r a n t e d i n e s l o t s ) ：保护时隙 o 垫o 丑o 1 4 ，为定义的砒虻属性 图3 4i e 珏8 0 2 1 4 5 中具有节能特点的超帧结构示意图 3 3 4 数据传输和低功耗 在i e e e8 0 2 15 4 中，有三种数据转移模式：从器件到协调器、从协调器到 器件、在对等网络中从一方到另一方。当网络使用非信标使能方式时，常以非时 隙避撞载波检测多址( c s m a c a ) 方式进行数据传送；当网络使用信标使能方 式，则用时隙c s m a c a 的数据传输方法。这种避撞载波侦听机制也保证了数据 传送的可靠性。 第三章z i g b e e 技术简介 上海师范大学硕士学位论文 低功耗是i e e e8 0 2 1 5 4 亿i g b e e 网络设备最重要的特点。所以在网络中数 据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制。多数机制是基于 信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间，或者在无数 据传输时使它们处于休眠状态。两节五号电池预计可使用长达六个月到两年左右 的时间。 3 4i e e e 8 0 2 15 4 物理层特点【2 6 l 物理层定义了物理无线