原创网络布建普及带来应用多元化ZigBee开创定位新应用

 2009-6-9 14:37  1206 4 4 分类: 通信

网络布建普及带来应用多元化ZigBee开创定位新应用<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

深圳无线龙科技提供的Zigbee定位开发系统，带来多元化的定位新应用。

透过内置定位引擎的ZigBee芯片，具备ZigBee收发功能的各种可携式装置，都可以摇身成为在室内使用的全球卫星定位系统，且硬件成本不到十分之一，功率消耗也远低于必须仰赖卫星讯号的定位系统。

大部分的无线感应器网络都必须透过某种方法来判定其网络节点位置的方式。在安装过程中，部署人员可能须要决定让哪些节点能够直接互相交换资料，或是与中心资料收集点互相交换资料。目前市场上的解决方案多半必须依赖软件计算。

在这些系统中，节点会读取计算位置的参数，并传送资讯至中心资料收集点，以计算出位置并回传至节点。这是一种计算能力要求极高的运算任务，通常必须由个人电脑或高性能微控制器执行。而且这种方法只能应用于规模较小的网络，因为执行计算所须满足的流量要求与节点数量呈指数关系增加。

在以电池供应电力的网络中，运算能力与频宽不足的限制使这种方法难以派上用场。为了克服这项难题，德州仪器(TI)提出分布式定位计算构想与相关方案。系统可依据已知位置的最近参考节点传回的资讯，对其所属的节点进行局部计算并进行位置判定，因此可将网络流量限制在待测节点(Blind Node)范围内的节点。此方式也可以允许相同网络上出现许多的待测节点，因为网络流量与待测节点数量呈比例增加，而非指数增加，因此不至于对整个网络带来庞大的流量负荷。

节点互通声息ZigBee定位抗干扰性能优异

依据无线网络中邻近无线电的讯号接收强度指标(Received Signal Strength Indicator, RSSI)，定位引擎可计算本身的位置。随着环境变动，两个无线电之间的RSSI讯号可能会产生相当大的变化，例如有人走在两个无线电节点之间，便可能使接收讯号降低30dBm。

为了补偿如此巨大的差异，定位引擎进行计算时，会根据多达十六个无线电节点的RSSI数值，以求得精确的位置结果。理论上来说，如果使用节点的数量够多，不同节点的RSSI之间的差异是可以被补偿的。在射频网络中，已知位置的定位引擎无线电称为参考节点。计算本身位置的节点称为待测节点。参考节点与待测节点之间，唯一须要传送的数据，是参考节点的X与Y坐标。依据接收的X与Y坐标，定位引擎会加上由参考节点讯息测量到的RSSI数值，计算出本身的位置。

无所不在的ZigBee节点让定位更精准

部分应用装置使用的定位引擎，可能须要安装一些参考节点，作为基础设施安装的一部分。但从系统部署的角度来看，要满足这种需求并不困难。可以利用无线方式控制家庭、办公室及工业应用装置的ZigBee，近来已经开始逐渐流行起来，因此随着ZigBee装置安装于建筑基础设施的数量逐渐增加，要以ZigBee来达成定位效果并不困难。

举例来说，在一般办公室环境中，可能具备ZigBee网络能力的设备有：控制每间办公室与会议室的调温装置、以及具有温度感应器的空调输送管；每间房间也可能有使用ZigBee控制的灯光开关与灯具。这些不同的设备可轻易作为定位引擎的参考节点。须要使用ZigBee无线电作为ZigBee堆叠顶端参考节点的程序码大小，一般来说不到1KByte。

定位引擎会由三至十六个参考节点收集资料，并据此计算位置。如果定位引擎接收的资料超过十六个节点，引擎将会对这些节点位置进行分类，并使用由讯号最强的十六个参考节点产生的RSSI值。

广布感测节点为最佳部署方式

德州仪器目前所提供的节点解决方案搜寻范围是<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />64公尺见方。在实际应用时，整个系统往往必须涵盖比这个数字更大范围的区域。理论上，部署人员有两种方式可以增加涵盖范围，一种是增加参考节点的输出功率并降低定位引擎计算的分辨率；另一种则是广设参考节点，并让节点进行定位计算时，使用相对上讯号最强的参考节点。

一般认为第二种方式是比较妥善的办法，因为定位引擎可以涵盖较大的区域，却不必牺牲计算的准确度。网络中的待测节点传送广播讯息，并由所有邻近的参考节点收集资料，再依据参考节点的讯号强度，选择最强讯号参考节点的X与Y座标，开始计算相对于此参考节点的其它节点座标。定位引擎处理数据后，会加入最近参考节点的偏移量，取得大型网络中的实际位置(图1)。

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图1 ZigBee网络以及讯息的定位与路由

为了使涵盖范围最大化，不管在室内或室外环境中进行部署时，都要注意天花板/地面吸收有关的问题。最理想的状况，就是让所有节点处于相同高度，远离地面、天花板、以及墙壁，但这在实际状况中几乎不可能达成。因此可以将参考节点固定或置于低于天花板高度的地方，并将天线反转(可以向外向下传播射频讯号)；至于待测节点(于手上携带或固定至设备)的位置，则可以配置在人体站立于环境中头部与腰部高度间的任何地点。这种安装方式可将天花板与地面的吸收降到最低，即使对于持续在环境中移动的人体，受到物体干扰的程度也最小。

为了判定在室内的性能，在办公室环境中使用了具有八个参考节点的网络。参考节点放置于角落以及表面可利用的位置，像是办公室家具以及其它表面，高度皆在腰部至肩膀之间。在图2中，八个参考节点以A至H的英文字母命名。