專利名稱：一種Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的高精度節(jié)點定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線通信下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，尤其是一種基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線通信是利用電磁波而不是通過線纜進行的通信方式，該通信方式已經(jīng)滲入人民群眾日常生活和國家經(jīng)濟發(fā)展的各個方面。其根據(jù)電磁波頻率的不同，其通信協(xié)議和用途也大不相同，如中國移動GSM無線通信的890 960MHz、超市貨物標(biāo)簽RFID無線通信的 13MHz、無線廣播、衛(wèi)星通信等?，F(xiàn)代無線通信標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)也在迅猛發(fā)展和完善之中，如3G通信標(biāo)準(zhǔn)(W-CDMA、 CDMA2000.TD-SCDMA)、4G 通信標(biāo)準(zhǔn)(LTE)、藍牙 Bluetooth、Wi_Fi、Wimax、Zigbee 等。其中 Zigbee技術(shù)為一種新興的近距離無線通信技術(shù)，由Motorala、Invensys、飛利浦和日本三菱電氣在2002年10月共同發(fā)起并提出設(shè)計研究與開發(fā)，其優(yōu)勢在于低功耗、低體積、低復(fù)雜度、低速率、低成本。該項技術(shù)推出的同時，上述幾家公司宣布成立Zigbee技術(shù)聯(lián)盟，世界上各大公司和組織普遍看好Zigbee技術(shù)及其未來的應(yīng)用潛力和價值，紛紛加入該技術(shù)聯(lián)盟，使其不斷地發(fā)展壯大。IEEE在2003年11月正式發(fā)布該項技術(shù)物理層和MAC層所采用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即IEEE802. 15. 4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在2004年12月，Zigbee聯(lián)盟正式發(fā)布了 Zigbee 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并在2007年進行了進一步的修訂和完善，該標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布和完善，進一步推動和加速了 Zigbee技術(shù)的實際應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用正在世界各地蓬蓬勃勃地展開。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層技術(shù)， 在其發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，因Zigbee技術(shù)特有的低功耗、低復(fù)雜度和低成本的優(yōu)勢， 其無疑成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的首先技術(shù)，成功地應(yīng)用到工業(yè)自動控制、智能電網(wǎng)等多個領(lǐng)域之中。Zigbee網(wǎng)絡(luò)由三種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點、終端節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，存儲容量大、計算能力最強，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不間斷地接收消息；路由節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中的中繼，連接網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點，延伸和擴展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。終端節(jié)點是只能直接發(fā)消息給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點，所有采集的數(shù)據(jù)信息都經(jīng)過該節(jié)點而進入Zigbee 通信網(wǎng)絡(luò)，對處理能力和內(nèi)存的需求低，可進入省電模式。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置定位信息是Zigbee網(wǎng)絡(luò)需求應(yīng)用的重要組成部分。節(jié)點的位置信息的準(zhǔn)確定位在Zigbee的應(yīng)用中也同樣非常重要，如用于井下人員管理時，當(dāng)發(fā)生礦井災(zāi)難時，如何及時而準(zhǔn)確知道被困人員的位置，就能夠進行更加合理的搜救措施。正常情況下，Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線覆蓋距離不大于2千米，因此，節(jié)點的位置信息也只需要考慮 2km的范圍。目前，行業(yè)內(nèi)通用的估算節(jié)點的位置信息的方法是基于RSSI接收信號強度指示來進行估算節(jié)點的距離，RSSI值隨距離增加而減小，然而RSSI值受環(huán)境因素的影響比較大，在理想的空曠環(huán)境下，RSSI值能夠準(zhǔn)確地反映節(jié)點到參考節(jié)點的距離。但是現(xiàn)實應(yīng)用中，環(huán)境總是錯綜復(fù)雜，信號的衰減總是與環(huán)境有著密切的關(guān)聯(lián)，因此該方法也存在缺點， 即在有多種障礙物的情況下，RSSI值波動比較大，無法有效準(zhǔn)確反饋節(jié)點到參考節(jié)點的距離，RSSI與距離不存在嚴(yán)格的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，因此也非常難由RSSI值精確計算兩節(jié)點間的距離，總是存在較大的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決Zigbee網(wǎng)絡(luò)下節(jié)點位置定位誤差大、精度不高的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、定位準(zhǔn)確、使用可靠的高精度節(jié)點定位方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為利用節(jié)點間數(shù)據(jù)或信號傳輸?shù)男盘栄舆t來估算節(jié)點相對于參考節(jié)點的距離，并利用該距離來對基于RSSI接收信號強度指示估算節(jié)點的距離進行校準(zhǔn)。無線信號在空中接口上傳輸速率是固定的，其在空中的傳輸時延與節(jié)點至參考節(jié)點的距離成正比。當(dāng)存在多種障礙物環(huán)境復(fù)雜的情況下，由于無線電磁波信號可能經(jīng)過多種路徑到達節(jié)點，而存在多徑效應(yīng)，時間以最先收到信號的路徑長度為準(zhǔn)，該路徑為節(jié)點到參考節(jié)點的最短路徑。因Zigbee技術(shù)旨在于不大于2km的近距離低速率無線通信技術(shù)，其所使用的頻率在近距離范圍內(nèi)具有很強的穿透能力，最短路徑也即是節(jié)點至參考節(jié)點的距
1 O通過時間延時來估算出的節(jié)點位置與基于RSSI估算出的節(jié)點位置做比較，根據(jù)差值的大小了進行合適的校準(zhǔn)，獲取正確的節(jié)點定位信息。一種Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的高精度節(jié)點定位方法，其特征在于，包括以下步驟1)根據(jù)節(jié)點接收到參考節(jié)點幀數(shù)據(jù)來計算信號強度RSSI，連續(xù)計算η幀數(shù)據(jù)所得
RSSI再求平均，公式為RSSI = OT!=0RSSIK)/ ，其中η彡1 ；2)根據(jù)公式RSSI = _(D+10肛l0g1Q(dl))計算出節(jié)點至參考節(jié)點的距離dl，其中 D為本節(jié)點至參考節(jié)點為1米距離時接收信號強度，ε為信號路徑損耗因子，即傳播指數(shù)；3)根據(jù)節(jié)點發(fā)送消息給參考節(jié)點再收到參考節(jié)點反饋的應(yīng)答消息，計算出消息在空中的傳輸時延Tdelay,連續(xù)計算m幀數(shù)據(jù)所得傳輸延時再求平均，公式為
YZHlay 講，其中l(wèi)，^e/ah為第k個傳輸時延；4)通過公式d2 = V(Tdelay/2)來估算另一種節(jié)點至參考節(jié)點的距離d2，其中V為電磁波在空中的傳播速率；5)對步驟2)和步驟4)兩種方法估算出的距離進行差值比較， 根據(jù)差值的大小來計算權(quán)重，進而對估算出的距離進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)公式為
f minC/71 \\f minC/71 \\
d = d\x
min(i/l,i/2)
1- 2 max(iil,ii2)
+ d2x
min(iil, d2) 2
max(iil, d2)6)同時計算四個參考節(jié)點至節(jié)點的距離d，由于四個參考節(jié)點的三維坐標(biāo)已知， 計算出該節(jié)點的位置坐標(biāo)信息。本發(fā)明技術(shù)方案的顯著性進步和特點主要體現(xiàn)在首先有效的通過與參考節(jié)點之間的距離和信號強度之間的關(guān)系作為參考，通過多次信號強度RSSI值做均值來進行未知節(jié)點的位置信息；然后利用參考節(jié)點與未知節(jié)點之間信號傳遞的時間來估算未知節(jié)點至參考節(jié)點的距離，通過多次信號傳遞的時間均值得到未知節(jié)點的位置信息；最后賦予以上所得的兩種位置信息不同的權(quán)重來進行未知節(jié)點位置距離的校準(zhǔn)來獲取高精度的準(zhǔn)確定位信息。該高效的高精度方法特別適合用于無線網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點的位置定位與跟蹤應(yīng)用，如對車輛、監(jiān)獄的服刑人員、井下人員等進行跟蹤和高精度定位。


附圖1為本發(fā)明的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓?fù)鋱D；附圖2為本發(fā)明的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位示意圖；附圖3為本發(fā)明的Zigbee網(wǎng)絡(luò)下節(jié)點定位順序流程圖。
具體實施例方式一種Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的高精度定位方法，涉及到Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，路由節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器都可以作為為參考節(jié)點，其位置信息為已知，在部署網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的時候已經(jīng)布置好，該高精度定位方法的特別之處在于對傳統(tǒng)的基于RSSI的定位方法基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，通過兩節(jié)點間數(shù)據(jù)或信號傳輸?shù)臅r延來估算節(jié)點間距離，并利用該距離來對基于RSSI的定位方法所得的位置信息進行校準(zhǔn)，得到高精度的未知節(jié)點位置信息，主要包括以下步驟1)未知節(jié)點MAC層記錄消息或數(shù)據(jù)幀發(fā)送時的時間，該時間利用高精度的時鐘粒度來記數(shù)；2) MAC層將來自上層的應(yīng)用數(shù)據(jù)作為本層的MSDU，在MSDU前部打上MAC頭部信息，在尾部打上幀校驗信息，整個封裝成MPDU，通過使用PHY層提供的原語PD_Data. Request向PHY層請求發(fā)送數(shù)據(jù)至空口 ；3) PHY層在接收到PD_Data. Request原語請求后，將來自MAC的MPDU數(shù)據(jù)作為本層的PSDU，在PSDU前部打上PHY頭部信息，整個封裝成PHY層的PPDU，并將該數(shù)據(jù)幀發(fā)送到空口進行傳輸；4) PHY層通過PD_Data. Confirm原語通知MAC層，此次數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功；5)目的參考節(jié)點收到通過空口傳輸過來的數(shù)據(jù)幀后，將立即構(gòu)造一個確認(rèn)幀通過空中接口發(fā)送給未知節(jié)點，通知其已經(jīng)收到數(shù)據(jù)；6)未知節(jié)點收到確認(rèn)幀后，通過采集信號的IQ數(shù)據(jù)來獲取RSSI的值，并將RSSI 值放入PD_Data. Indication原語中攜帶給MAC層；7)MAC層記錄該次RSSI值，同時獲取當(dāng)前時間的時鐘計數(shù)，通過與步驟一中的時鐘計數(shù)，通過做差值，并減掉數(shù)據(jù)幀從MAC層到空口的固定時延，從而得到數(shù)據(jù)或消息在空口的傳輸時延；8)重復(fù)步驟一到步驟七，連續(xù)η次，常用η可為20 ；9)根據(jù)保存的連續(xù)η幀數(shù)據(jù)所得RSSI再求平均，公式為
權(quán)利要求
1. 一種Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的高精度節(jié)點定位方法，其特征在于，包括以下步驟1)根據(jù)節(jié)點接收到參考節(jié)點幀數(shù)據(jù)來計算信號強度RSSI，連續(xù)計算η幀數(shù)據(jù)所得RSSI 再求平均，公式為MS! = iSURSSI:J/H，其中η ^ 1 ；2)根據(jù)公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的高精度節(jié)點定位方法，其特征在于在所述步驟1)中，信號強度RSSI的計算方法為11)未知節(jié)點MAC層記錄消息或數(shù)據(jù)幀發(fā)送時的時間，該時間利用高精度的時鐘粒度來記數(shù)；12)MAC層將來自上層的應(yīng)用數(shù)據(jù)作為本層的MSDU，在MSDU前部打上MAC頭部信息，在尾部打上幀校驗信息，整個封裝成MPDU，通過使用PHY層提供的原語PD_Data. Request向 PHY層請求發(fā)送數(shù)據(jù)至空口 ；13)PHY層在接收到PD_Data. Request原語請求后，將來自MAC的MPDU數(shù)據(jù)作為本層的PSDU，在PSDU前部打上PHY頭部信息，整個封裝成PHY層的PPDU，并將該數(shù)據(jù)幀發(fā)送到空口進行傳輸；14)PHY層通過PD_Data. Confirm原語通知MAC層，此次數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功；15)目的參考節(jié)點收到通過空口傳輸過來的數(shù)據(jù)幀后，將立即構(gòu)造一個確認(rèn)幀通過空中接口發(fā)送給未知節(jié)點，通知其已經(jīng)收到數(shù)據(jù)；16)未知節(jié)點收到確認(rèn)幀后，通過采集信號的IQ數(shù)據(jù)來獲取RSSI的值，并將RSSI值放入PD_Data. Indication原語中攜帶給MAC層；其中，PD_Data. *格式為物理層協(xié)議規(guī)范的格式，MAC是介質(zhì)訪問控制，PHY是物理層、 PPDU為物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元、PSDU為物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元、MSDU為介質(zhì)訪問控制層服務(wù)數(shù)據(jù)單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的高精度節(jié)點定位方法，其特征在于在所述步驟3)中，消息在空中的傳輸時延Tdelay計算方法為MAC層記錄該次RSSI值，同時獲取當(dāng)前時間的時鐘計數(shù)，通過與步驟一中的時鐘計數(shù)，通過做差值，并減掉數(shù)據(jù)幀從MAC層到空口的固定時延，從而得到數(shù)據(jù)或消息在空口的傳輸時延。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的高精度節(jié)點定位方法，其特征在于步驟1)中的η = 20。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的高精度節(jié)點定位方法，其特征在于步驟3)中的m = 20。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的高精度節(jié)點定位方法，首先有效的通過與參考節(jié)點之間的距離和信號強度之間的關(guān)系作為參考，通過多次信號強度RSSI值做均值來進行未知節(jié)點的位置信息；然后利用參考節(jié)點與未知節(jié)點之間信號傳遞的時間來估算未知節(jié)點至參考節(jié)點的距離，通過多次信號傳遞的時間均值得到未知節(jié)點的位置信息；最后賦予以上所得的兩種位置信息不同的權(quán)重來進行未知節(jié)點位置距離的校準(zhǔn)來獲取高精度的準(zhǔn)確定位信息。該高效的高精度方法適合用于無線網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點的位置定位與跟蹤應(yīng)用，如對車輛、監(jiān)獄的服刑人員、井下人員等進行跟蹤和高精度定位。
文檔編號H04W64/00GK102196560SQ20111013531
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者劉亮, 張笑天, 張雷, 徐大可, 楊春瑜, 賴曉璐 申請人:國電南京自動化股份有限公司