本發(fā)明涉及一種定位領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

基于zigbee的無(wú)線定位設(shè)計(jì)具有便捷可操作性強(qiáng)、靈敏度識(shí)別力強(qiáng)，高效率通信等突出優(yōu)點(diǎn)，這些突出點(diǎn)使得該技術(shù)能在定位服務(wù)激增的時(shí)代保留了其不可替代的位置，發(fā)展迅猛，并迅速占領(lǐng)了一部分市場(chǎng)，開發(fā)價(jià)值較高，開發(fā)前景較廣。

傳統(tǒng)概念中室內(nèi)環(huán)境無(wú)法精準(zhǔn)定位，無(wú)信號(hào)或有障礙物時(shí)信號(hào)收到干擾而造成的無(wú)法定位，而且現(xiàn)存的gps定位對(duì)于環(huán)境信號(hào)等方面外界條件要求較高。zigbee的無(wú)線定位設(shè)計(jì)利用無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)造zigbee網(wǎng)絡(luò)，改善了傳統(tǒng)概念中無(wú)法定位的不足，而且zigbee定位的完成對(duì)環(huán)境的要求較低，即使是在室內(nèi)或者較為復(fù)雜的環(huán)境也可完成。

對(duì)于定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最核心的技術(shù)是定位算法，傳統(tǒng)的三邊定位為一整片區(qū)域，誤差較大，不能滿足定位精度要求。

因此，本發(fā)明采用六個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，提出了多邊定位算法，而且利用泰勒級(jí)數(shù)展開法和最小二乘法相結(jié)合的優(yōu)化算法，利用迭代運(yùn)算對(duì)定位節(jié)點(diǎn)的位置機(jī)械修正，進(jìn)一步的提高定位精度。

因此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)定位節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)三部分硬件的配置和調(diào)試，在定位系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，定位節(jié)點(diǎn)通過(guò)參考節(jié)點(diǎn)將其距離或角度等信息傳遞給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再把收集到的被定位節(jié)點(diǎn)的信息通過(guò)串口線傳遞給pc，在pc中，通過(guò)特定的定位算法及定位算法優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)定位節(jié)點(diǎn)的位置確定。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)，包括參考節(jié)點(diǎn)模塊、定位節(jié)點(diǎn)模塊、網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)-服務(wù)器；所述參考節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為6個(gè)，包括cc2430芯片的無(wú)線模塊和電源，所述定位節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為1個(gè)，包括cc2431芯片的無(wú)線模塊和電源，所述的網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)包括選定的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展主板和cc2430芯片，所述的上位機(jī)-服務(wù)器包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)與定位系統(tǒng)；網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組網(wǎng)建立zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)系統(tǒng)采用無(wú)線測(cè)距技術(shù)rssi(receivedsignalstrengthindictor)作為關(guān)鍵技術(shù)對(duì)參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行測(cè)量，在運(yùn)行時(shí)，通過(guò)zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)獲取定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的信息，同時(shí)將相應(yīng)信息通過(guò)串口傳遞給pc服務(wù)器，同時(shí)將通過(guò)特定的定位算法及定位算法優(yōu)化處理的信息傳給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)傳遞給參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)定位節(jié)點(diǎn)的位置確定。

所述參考節(jié)點(diǎn)采用cc2430芯片中的無(wú)線模塊，節(jié)點(diǎn)在的作用類似于網(wǎng)絡(luò)中的路由器，通過(guò)相應(yīng)的配置，對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)的cc2430芯片配置唯一的位置坐標(biāo)，同時(shí)設(shè)定相應(yīng)的rssi均值。每一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)是在校園環(huán)境中進(jìn)行靜態(tài)配置的，其坐標(biāo)是固定有效的。

所述定位節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中需要測(cè)量定位的節(jié)點(diǎn)，定位節(jié)點(diǎn)配置相應(yīng)的cc2431芯片中的無(wú)線模塊，cc2341芯片中包含有自帶的可靠的定位引擎。

所述的網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)是由選定的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展主板和cc2430芯片構(gòu)成。

所述的系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

所述下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括zigbee2006協(xié)議棧、zigbee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)iarsystem、網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)、參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

所述上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)開發(fā)軟件vs2010和定位軟件z-location設(shè)計(jì)。

所述的定位算法是多邊定位法，具體的說(shuō)是六邊定位法。

所述的定位優(yōu)化算法采用泰勒級(jí)數(shù)展開法和最小二乘法相結(jié)合，同時(shí)利用迭代運(yùn)算對(duì)定位節(jié)點(diǎn)的位置機(jī)械修正。

采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下有益效果：

(1)基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)的定位算法，采用六邊定位算法，比三邊定位算法的定位精度高。

(2)基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)的定位優(yōu)化算法，采用泰勒級(jí)數(shù)展開法和最小二乘法相結(jié)合，同時(shí)利用迭代運(yùn)算對(duì)定位節(jié)點(diǎn)的位置機(jī)械修正，使得定位更精確。

附圖說(shuō)明

圖1參考節(jié)點(diǎn)流程圖。

圖2定位節(jié)點(diǎn)流程圖。

圖3網(wǎng)關(guān)原理圖。

圖4網(wǎng)關(guān)工作流程圖。

圖5多邊定位原理圖。

圖6算法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍作出更為清楚明確的界定。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

一種基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)，包括參考節(jié)點(diǎn)模塊、定位節(jié)點(diǎn)模塊、網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)-服務(wù)器；所述參考節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為6個(gè)，包括cc2430芯片的無(wú)線模塊和電源，所述定位節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為1個(gè)，包括cc2431芯片的無(wú)線模塊和電源，所述的網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)包括選定的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展主板和cc2430芯片，所述的上位機(jī)-服務(wù)器包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)與定位系統(tǒng)；網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組網(wǎng)建立zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)系統(tǒng)采用無(wú)線測(cè)距技術(shù)rssi(receivedsignalstrengthindictor)作為關(guān)鍵技術(shù)對(duì)參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行測(cè)量，在運(yùn)行時(shí)，通過(guò)zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)獲取定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的信息，同時(shí)將相應(yīng)信息通過(guò)串口傳遞給pc服務(wù)器，同時(shí)將通過(guò)特定的定位算法及定位算法優(yōu)化處理的信息傳給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)傳遞給參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)定位節(jié)點(diǎn)的位置確定。

所述的參考節(jié)點(diǎn)通過(guò)相應(yīng)的配置，對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)的cc2430芯片配置唯一的位置坐標(biāo)，同時(shí)設(shè)定相應(yīng)的rssi均值。每一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)是在環(huán)境中進(jìn)行靜態(tài)配置的，其坐標(biāo)是固定有效的，所以在系統(tǒng)中求解相應(yīng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以不進(jìn)行定位計(jì)算，在求解相應(yīng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以根據(jù)選定的rssi算法提供相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度和自己固定的坐標(biāo)，為了使相應(yīng)的數(shù)據(jù)與網(wǎng)關(guān)的傳輸過(guò)程中信號(hào)的穩(wěn)定可靠，具體的參考節(jié)點(diǎn)的配置在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中要進(jìn)行多次的調(diào)整。每一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的總體大致的工作流程如圖1所示。

所述的定位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，由于cc2341芯片中包含有自帶的可靠的定位引擎，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)相應(yīng)的定位算法，通過(guò)網(wǎng)關(guān)接收多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)和rssi均值，同時(shí)利用選定的定位算法，通過(guò)多次的迭代計(jì)算得出自身最有可能的在環(huán)境中的坐標(biāo)點(diǎn)。

所述定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)在的功能基本上一樣，只是由于本校園系統(tǒng)中參考節(jié)點(diǎn)是固定不變的，因此選取的是現(xiàn)如今被廣泛運(yùn)用的cc2430芯片，但定位節(jié)點(diǎn)時(shí)移動(dòng)的，需要具備相應(yīng)的定位引擎，因此選取的是cc2431芯片。但其相關(guān)配置，特別是電路設(shè)置基本上一樣。cc2431工作流程如圖2所示。

所述網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)是由選定的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展主板和cc2430芯片構(gòu)成。每一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用流程圖如圖3所示。通過(guò)相應(yīng)的配置，在系統(tǒng)初始運(yùn)行的時(shí)候，通過(guò)監(jiān)控軟件z-location將相應(yīng)的參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，同時(shí)在利用相應(yīng)的測(cè)距算法和信號(hào)處理方式將相應(yīng)的信息發(fā)送到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)接收相應(yīng)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。整個(gè)流程中，網(wǎng)關(guān)中的主要功能有：將相應(yīng)的定位數(shù)據(jù)配置發(fā)送到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)；轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)同時(shí)對(duì)需要定位的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位；對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)根據(jù)選擇的算法進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)串口完成與pc服務(wù)器的通信；網(wǎng)關(guān)工作流程如圖4所示。

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境基于本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)利用cc2430芯片完成網(wǎng)關(guān)功能、cc2430芯片完成參考節(jié)點(diǎn)功能、cc2431芯片完成定位節(jié)點(diǎn)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)。同時(shí)基于每個(gè)模塊的配置與設(shè)計(jì)，在整個(gè)系統(tǒng)硬件可以正常運(yùn)行的條件下，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行編程調(diào)試。

調(diào)試的過(guò)程完成中，對(duì)本系統(tǒng)中應(yīng)用的每個(gè)模塊都完成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)試，每個(gè)設(shè)備之間都可以基于zigbee技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，同時(shí)網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口與pc服務(wù)器進(jìn)行交互通信，整個(gè)系統(tǒng)的功能初步實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，6個(gè)參考節(jié)點(diǎn)形成測(cè)試區(qū)域，并對(duì)每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)定位，對(duì)系統(tǒng)選取的c2431芯片進(jìn)行相應(yīng)的配置。在定位軟件z-location中的referencenodesetup界面設(shè)置了六個(gè)節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)放置在合適的高度且應(yīng)處于同一水平線。網(wǎng)關(guān)放置在可方便與pc和節(jié)點(diǎn)可通信到的合適位置，天線應(yīng)盡量朝向網(wǎng)關(guān)。

所述的無(wú)線測(cè)距技術(shù)rssi(receivedsignalstrengthindictor)關(guān)鍵技術(shù)，是利用無(wú)線信號(hào)在傳播的過(guò)程中，隨著傳播距離的增大，其信號(hào)發(fā)生有規(guī)律的衰減，最終得到想要獲得的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的位置坐標(biāo)。該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的傳感器節(jié)點(diǎn)可以高度集成，適合大的應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)不需要配置額外的硬件。

所述的多邊定位算法和定位優(yōu)化算法過(guò)程如下：

多邊定位則可設(shè)置多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，如圖5所示，設(shè)置六個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)參考節(jié)點(diǎn)測(cè)得的點(diǎn)來(lái)做圓，但是某種程度上來(lái)說(shuō)，這些圓確定的并非一點(diǎn)而是一片區(qū)域，如圖所示。為了更加準(zhǔn)備的定位，通過(guò)增加相應(yīng)參考節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，提高求解過(guò)程的冗余度，從而更精確的估算所求移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置。利用最小二乘算法計(jì)算所求移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。算法流程圖如圖6所示，具體步驟如下：

s1：設(shè)求解的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)是(x,y)，設(shè)參與定位的有n＝6個(gè)固定節(jié)點(diǎn)，設(shè)置其坐標(biāo)：(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，…..，(xn,yn)，r1,r2,...,rn為n＝6個(gè)距離。那么，就可以得到(1)式：

s2：想要得到(x,y)方程組最終答案，需要對(duì)于現(xiàn)有位置(x,y)的近似坐標(biāo)假如(x,y)可以由近似坐標(biāo)以及真實(shí)坐標(biāo)和近似坐標(biāo)之間的偏移量(δx，δy)來(lái)表述，如(2)式所示。通過(guò)將talor級(jí)數(shù)展開的表達(dá)式，圍繞近似位置(δx,δy)求解代入，就可以將該求解方程中的偏移量(δx，δy)表示為已知坐標(biāo)和距離測(cè)量值之間的線性函數(shù)。

s3：通過(guò)求解該方程組，算出了測(cè)量距離、近似距離，如式(3)所示：

s4：將測(cè)量距離fi(x,y)按泰勒級(jí)數(shù)展開，并刪去一階偏導(dǎo)數(shù)之后的式子，得到式(4)：

如上，線性化了偏移量(δx,δy)。而上式又可簡(jiǎn)化為式(5)：

于是對(duì)原來(lái)問(wèn)題的求解簡(jiǎn)化為對(duì)下面方程組的求解，見式(6)：

s5：采用最小二乘法求解方程，求解過(guò)程是使下面函數(shù)式為0，解得δx和δy，以矩陣排列的方式表示為式(7)：

s6：結(jié)合上式和x,y表示式可以得出所求移動(dòng)節(jié)點(diǎn)估計(jì)位置，以求得的位置作為下一次迭代運(yùn)算的近似坐標(biāo)，多次利用迭代運(yùn)算對(duì)求解的位置機(jī)械修正，求得更為精確的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，直到δx和δy小于相應(yīng)的精度誤差即可。