引言

　　隨著數據業務和多媒體業務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內環境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場等環境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內的位置。但是受定位時間、定位精度以及室內復雜環境等條件的限制，比較完善的定位技術目前還無法很好地利用。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它最顯著的特點是低功耗和低成本。利用ZigBee技術實現定位具有低成本、低功耗的優點，且信號傳輸不受視距的影響。

1 相關核心技術概述

1.1 ZigBee技術概述

　　ZigBee技術[1]是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數據率、低復雜度的雙向無線通信技術，它是基于IEEE 802.15.4標準開發的無線協議。網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定，IEEE 802.15.4負責物理層和鏈路層標準。完整的ZigBee協議套件由應用層、應用架構層、網絡層以及數據鏈路層和物理層等組成，協議棧結構如圖1所示。

圖1 ZigBee協議棧結構

　　ZigBee可使用的頻段有3個，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz 頻段以及美國的915 MHz 頻段，不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。中國采用2.4 GHz頻段，它是免申請和免使用費的頻段；采用直接序列擴頻技術DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，傳輸距離介于10~75 m（增加RF發射功率，可達500 m）；傳輸速率為20~250 kb/s，適合傳感器數據采集和控制數據的傳輸。ZigBee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和MESH網狀網。

1.2 RSSI定位技術

　　RSSI[2]（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示）是指節點接收到的無線信號強度大小。在基于接收信號強度指示RSSI 的定位中,已知發射節點的發射信號強度,接收節點根據接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗,利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離,再利用已有的算法計算出節點的位置。該技術硬件要求較低、算法相對簡單,在實驗室環境中表現出良好特性;但由于環境因素變化的原因,在實際應用中往往還需要改進。接收信號強度是發射功率和發射器與接收器間距離的函數。

　　接收信號強度RSSI理論值可由式 (1)表示：

RSSI=-(10n?lgd+A)(1)

其中，n代表信號傳播常量，也叫傳播指數；d代表距發射器間的距離；A代表距離1 m時的接收信號強度。

　　信號的衰減與距離成對數衰減的關系。節點到信號源的距離越近, 由RSSI值的偏差產生的絕對距離誤差越小；而當距離大于某一值時,由RSSI波動造成的絕對距離誤差將會很大。一個未知節點可能收到n個參考節點的信號, 所以應當采用RSSI值大的前幾個參考節點進行定位計算，這樣可以避免定位誤差擴大。

2 ZigBee技術實現定位的優勢

(1) 功耗低

　　由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1 mW,而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。ZigBee設備僅靠2節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，其功耗遠遠低于其他無線設備。

(2) 成本低

　　與 GPS相比，定位引擎在單芯片 ZigBee RF收發器中與 MCU集成在一起，成本不及 GPS硬件的1/10，功耗也只是 GPS硬件的一小部分，并且ZigBee協議是免專利費的。

(3) 時延短

　　通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。因此ZigBee技術適用于對實時定位要求較高的應用。

(4) 網絡容量大

　　一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，組網方式靈活。隨著ZigBee技術的成熟，未來ZigBee設備不斷增多，可以利用具有ZigBee RF的設備或基礎設施,容易組建ZigBee網絡，降低了ZigBee節點設計和組網成本,且利用更多的ZigBee設備可以達到更高的定位精度。

3 室內定位系統設計

3.1 系統結構

　　定位系統由盲節點（即待定位節點）和參考節點組成，為了便于用戶獲得位置信息，還需要一個與用戶進行交互的控制終端和一個ZigBee網關。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖