基于ZigBee的室内精准定位技术研究

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定位技术指的是运用某种无线通信网络平台,将收到的无线电波的某些参数如信号强度转化为定位节点与参考节点之间的距离,然后按照特定方法测得移动终端在某时段内所处的地理位置,以便进行实时监测或者导航的技术[1-2]。人类社会对位置服务的大量需求催生了对定位技术的广泛研究,无线通信技术和微电子技术的发展使无线传感器网络技术登上了室内定位的技术舞台[3-4]。随着低成本、低功耗的ZigBee技术的不断发展,基于这种技术的室内定位系统将在室内定位应用中发挥越来越重要的作用[5]。  本文围绕基于ZigBee的室内定位展开,主要的研究内容包括:  (1)对ZigBee技术进行了深入的研究,ZigBee芯片是获取RSSI的硬件基础,ZigBee网络是定位系统的组成部分,为定位信息提供了可靠地传输通道。首先对ZigBee技术进行了简要的概述,然后对ZigBee网络体系结构以及拓扑结构进行介绍,最后对ZigBee的组网机制进行深入的研究,为后面搭建定位系统的网络平台提供了理论依据。  (2)阐述了定位技术相关概念,对基于TOA的定位机制、基于TDOA的定位机制、基于AOA的定位机制以及基于RSSI的定位机制进行了深入的研究。分析了这几种定位机制的优缺点及应用条件,通过比较得出了基于RSSI的定位机制最适合用于基于ZigBee的低成本、低功耗的室内定位系统。基于测距的定位在得到节点间距离后需要通过定位算法得到最终的定位目标位置,于是对基本的节点位置计算方法进行研究,包括三边测量法、三角测量法以及极大似然估计法,为算法的改进打下基础。  (3)对基于RSSI的定位过程进行了详细分析,基于RSSI的定位可划分为三个阶段:RSSI值获取、RSSI转化为距离以及坐标计算。分别对三个部分存在的误差进行分析并采取相应的优化措施。根据RSSI值获取过程中受到室内环境多径的干扰以及突发的干扰出现的波动特点对RSSI序列用改进的高斯滤波进行处理;采用区域分割策略,使计算节点之间距离时使用的环境参数更接近真实值,从而减小测距误差。在定位计算阶段,选择最优的参考节点,并对计算得出的坐标进行修正,提高定位精度。  (4)对定位系统进行设计实现,包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括定位芯片的选择以及相关外围电路的设计;软件设计主要包括对三种节点的实现流程的设计以及相关处理函数的编写。最后对系统进行试验测试,并对测试结果进行分析。
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