基于ZigBee技术的商场定位系统建立

孙聃石,杨 力,赵海山,王梦茹

(信息工程大学 导航与空天目标工程学院，河南 郑州，450001)



基于ZigBee技术的商场定位系统建立

孙聃石,杨 力,赵海山,王梦茹

(信息工程大学 导航与空天目标工程学院，河南 郑州，450001)

ZigBee室内定位系统利用优化的参数化算法计算位置坐标。由于信号传输距离影响定位精度，实验利用不同的定位网络布设方式来确定信号传输距离对定位精度的影响程度，从而找出最佳的布设方式。建立定位系统来满足在商场中对人和物品的定位，进而节约工程成本。

ZigBee；优化；参数化算法；定位

智慧城市目前是一个受到人们广泛关注的话题，而其中室内定位导航作为智慧城市中不可或缺的一部分也吸引了许多人的目光。但是目前人们所常用的定位系统为全球卫星定位系统(GNSS)，由于在室内一般无法接收到卫星信号，所以对于室内的位置信息服务并不采用GNSS。ZigBee室内定位技术是一种新型的技术，它具有低能耗、低成本、高安全性、高可靠性、短延时等特点[1]，这些特点适合工程应用。

鉴于ZigBee技术的特点，本文提出了利用ZigBee室内定位技术和优化的参数化定位算法建立具有较高定位精度的商场定位系统。目前常用的定位算法可分为基于测距的定位算法、无需测距的定位算法和基于RSSI的加权质心定位算法[2]。而在实际应用中，基于测距的定位算法要求的定位环境较为理想，不适合于人流较大的公共场所，无需测距的定位算法其定位在精度上存在一定缺陷。本文采用基于RSSI的加权质心定位算法优化的参数化定位算法。

1 优化的参数化算法

由于传输距离对定位精度存在一定的影响，在优化的参数化算法中距离与信号强度(RSSI)之间有经验公式

(1)

式中:N为传播常数；d为发射机与接收机之间的距离;r为接收到的信号强度(RSSI);A为在1 m距离处的接收信号强度[1]。由式(1)可推出传播距离d与已知的r,A,N参数之间所存在的关系为

(2)

(3)

(4)

到移动节点坐标p的解

(5)

图1 定位原理图

2 定位系统的组成和定位网络布设

2.1 定位系统的组成

ZigBee无线传感器定位的网络中存在3种类型的节点，拥有不同的功能，其分别为移动节点(待定位节点)、网关节点(协调器)和参考节点[3-5]。网关节点(协调器)的任务主要是实时采集数据和搭建网络，选择CC2430芯片，其主要功能首先要回应电脑(上位机)发出的请求，开启无线传感器网络，等待其他点入网；同时还接收参考节点与移动节点数据，并将其传送给上位机；网关节点也拥有参考节点的功能。系统中的参考节点是一些静止的、确定所在位置坐标的固定节点[6-8]；同时，参考节点还具有路由的功能[9]，参考节点同样选择CC2430芯片。在参考节点包围的区域内，移动节点(即待定位节点)可任意移动，定位功能的实现就是获得参考节点的位置信息，其主要任务是移动节点计算各个参考节点提供RSSI值的平均值并取最大值发送给网关节点，上传给上位机监测软件处理。移动节点所使用的是CC2431芯片，整个定位系统流程如图2所示。

2.2 定位网络布设

ZigBee室内定位模块的信号传输距离为64 m[10]，然而复杂的室内环境多路径效应严重，且环境易于改变。尤其是像商场这样的拥有较为复杂内部环境的公共场所，不会存在较长的直线通道，所以基于现实环境考虑，参考节点之间的距离可以设置为20 m或是10 m。通过定位算法可知，定位网络必须由3个或以上参考节点形成后方交汇来完成定位。其布设的方式可以分为如图3所示，旨在确定参考节点相距不同距离时，定位所带来的误差。

图2 定位流程

图3 不同间距参考节点布设

由于定位网络需要3个或以上节点，在布设时为了节约成本，可以将3个参考节点形成的定位网络与之前4个参考节点所形成的定位网络(见图4)

所得到的定位结果进行对比，通过分析选取最终的布设方法。

图4 不同方式参考节点布设

3 试验及数据分析

实验首先按照图3的方式将参考节点布设在长44 m宽为3 m经常有人通过的走廊内，其室内定位环境如图5所示。为了使信号不受到遮挡，将参考节点布设在距离地面高为2 m的位置以减少信号遮挡。

图5 定位环境

在定位网络覆盖的走廊内选取3个坐标已知的点，让待定位标签进入定位网络时通过3个坐标已知的点，记下定位坐标，并与已知坐标对比,定位结果如表1、表2和图6所示。

表1 定位结果(参考节点间距20 m)

表2 定位结果(参考节点间距10 m)

图6 定位结果对比(不同间距参考节点布设)

通过两种布设方式所得到的定位结果与已知坐标对比可知，在人流量较大的走廊内，相邻参考标签间距为20 m时，所测得的3个点的平均定位误差较大，达到3 m左右，且定位不稳定。而相邻参考节点的距离为10 m时，所测得的3个点的平均定位误差为1.7 m，定位较为稳定。从而可知，在公共人流较大的公共场所内，ZigBee室内定位网络的布设应选择参考标签间距为10 m左右的方式。利用相同的方法来比较图4中两种布设方式所得到的定位结果，通过实验得到其定位结果如表3所示。

表3 定位结果(参考节点间距10 m，错开布设)

实验对比结果通过图7可明显得出，当参考节点交错布设时，1、3两点所在的定位网络只由3个参考节点构成时，算法上虽然可以完成计算，但是定位精度较低，且不稳定，无法满足工程上的需求。因此,采用间距为10 m，在局域采用4个或以上的参考节点所构成的定位网络对待定位节点定位，满足需求。

图7 定位误差对比(不同方式参考节点布设)

4 结束语

ZigBee室内定位技术所出现的时间并不长，但是由于其独有的特点使得应用较为广泛，实验采用优化的参数化定位算法对待定位标签进行定位，通过对不同间距以及不同数量的参考标签所构成的定位网络所得到的定位结果进行对比，确定了在公共场所内ZigBee定位系统的最优建立方式，具有实际意义。该系统不仅可应用于商场内的定位，同时还能应用于井下人员定位，办公楼的人员监测，监狱的人员定位等。

[1] 万群,郭贤生,陈章鑫.室内定位理论、方法和应用[M].北京:电子工业出版社,2012.

[2] 王楠,王锴,王小波.基于ZigBee的矿井定位系统设计及精度分析[J].数字技术与应用,2014(6)：62.

[3] 彭宇倩.基于ZigBee室内定位的智能导游系统研究[D].广州：广东工业大学,2014.

[4] 何英. ZigBee定位技术及消防安全应用[D].南昌：南昌大学,2011.

[5] 申军涛. 基于 RFID/ZigBee 实验室设备远程监控系统的设计[D].保定：河北大学,2014.

[6] 孙聃石,杨力.ZigBee定位技术在珍贵物品监测中的应用[J].测绘与空间地理信息,2015,38(7):191-192.

[7] 梁芳.基于ZigBee的监区人员定位研究[D].太原：中北大学,2014.

[8] 武越.基于ZigBee的无线传感器网络定位技术的研究[D].大连：大连海事大学,2014.

[9] 饶志训.基于ZigBee技术的室内定位系统研究[D].武汉：湖北工业大学,2014.

[10] 刘艳,吴蒙.基于ZigBee技术的室内定位系统的研究[J].计算机技术与发展,2014,24(4):181-185.

[责任编辑：刘文霞]

A shopping mall positioning system based on ZigBee technology

SUN Danshi，YANG Li，ZHAO Haishan,WANG Mengru

(School of Navigation and Aerospace Engineering, Information Engineering Univercity,Zhengzhou 450001，China)

ZigBee indoor positioning system uses the optimized parameters of the algorithm to calculate the position coordinates. Because the signal transmission distance influences the positioning accuracy, experiments are made with different ways of locating network layout to determine a signal transmission distance which can influence the positioning accuracy, and to find the best layout mode. The positioning system is proposed to be in shopping malls to locate people and goods, thus saving engineering costs.

ZigBee; optimization; parametric algorithm; positiong

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.02.011

2015-12-25

孙聃石(1990-)，男，硕士.

TP302

A

1006-7949(2017)02-0048-04

引用著录：孙聃石,杨力,赵海山，等.基于ZigBee技术的商场定位系统建立[J].测绘工程，2017，26(2)：48-51.