CN203416427U - 基于ZigBee技术的自组网定位系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于ZigBee技术的自组网定位系统，包括数据处理中心、基于ZigBee技术的自组网络和具有定位标签的终端设备。所述基于ZigBee技术的自组网络包括ZigBee协调器和多个定位基站，ZigBee协调器用于组建网络，定位基站具有ZigBee路由功能，在完成对终端设备的定位标签测距的同时，作为ZigBee路由器转发定位数据，将定位数据上传到数据处理中心；数据处理中心根据ZigBee协调器传输的定位数据，对终端设备进行定位。该系统基于CSS技术进行通信并采用TOA或TDOA定位算法进行系统定位，具有ZigBee系统自组网、成本低、易安装部署的优点，使得系统抗干扰能力强、定位精度高、并且定位精度稳定。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种ZigBee定位系统，特别是一种利用线性调频扩频技术（CSS)采用TOA/TDOA定位算法的ZigBee自组网定位系统。
背景技术
ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4标准开发的短距离无线网络通信标准，工作在免费开放的2.4Ghz、868MHz和915MHz的ISM频段上，传输速率为20-250kb/s，传输距离为10-75m，与其它各种无线网络技术相比，其最大优势是成本低、功耗低。基于以上特点，目前关于ZigBee定位系统的研究受到了人们的广泛关注。
目前已有的ZigBee定位系统大多数采用RSSI定位算法，基于射频信号强弱的RSSI定位算法，是一种常见的基于射频信号强弱来测试距离的定位方法。它的定位原理是：已知信标节点的发射强度，盲节点在接收到信标节点的信号时，测量出当前发射信号的强度，根据前后的信号强度差（即：损耗强度）计算出信标节点和盲节点的间距。其具体实现过程可以分为两个阶段，第一阶段是利用盲节点检测到的三个信标节点RSSI值，分别测量这三个信标节点与该盲节点间的距离，此为测距阶段。第二阶段是以这三个信标节点为圆心，以测得的三个测距值为半径做三个圆，三个圆的交点即为盲节点，利用公式即可求得盲节点的坐标，此为计算坐标阶段。其原理如图1所示。
由于传感器节点本身具有信号的无线收发能力，我们仅需测量出信号的损耗强度就可实现测距，因此RSSI是一种易实现、低成本的测距算法。但在实际的无线传感器定位网络中，反射、多径传播、非视距、天线增益等问题都会对信号强度的损耗造成影响。因此，RSSI也是一种粗糙的测距算法，其在实际应用中的定位精度比较低。
由于以上原因，造成现有的ZigBee定位系统具有定位精度不高（实用中3-20 米误差），环境适应性差，容易受外界干扰（人体、雨水、金属、墙体），无法在工程中应用等缺点；并且现有的ZigBee定位系统不能支持长距离测量，最远支持80米，达到3米精度左右精确测量的最大范围在15-30米。现有的ZigBee定位系统的上述缺点使其主要应用于小数据量传输与控制领域，目前无法应用于精确定位领域。所以，近年来对ZigBee定位系统进行改进已成为一个研究热点。
发明内容
本实用新型针对目前ZigBee定位系统在实际应用中存在的上述问题，利用线性调频扩频技术（CSS)采用TOA/TDOA定位取代ZigBee定位系统中原有的RSSI定位，在保证低能量消耗、低速率传输、低成本的基础上，得到了一种稳定的高精度的定位。
本实用新型的基于ZigBee技术的自组网定位系统，包括数据处理中心、基于ZigBee技术的自组网络和具有定位标签的终端设备。所述基于ZigBee技术的自组网络包括ZigBee协调器和多个定位基站，ZigBee协调器用于组建网络以及管理、维护路由表，定位基站具有ZigBee路由功能，在完成对终端设备的定位标签测距的同时，作为ZigBee路由器转发定位数据，定位数据通过ZigBee协调器上传到数据处理中心。数据处理中心根据ZigBee协调器传输的定位数据，对终端设备进行定位。基于ZigBee协议的自组网络基于CSS技术进行通信。该系统采用TOA或TDOA定位算法进行系统定位。
ZigBee协调器向数据处理中心传输的定位数据为定位基站的固定参考节点坐标、定位标签到定位基站距离，数据处理中心根据该上述数据计算具有该定位标签的终端设备的坐标，对终端设备进行定位。
本实用新型的定位系统定位精度可满足绝大多数应用需求，并且采用TOA或TDOA定位技术，使得系统抗干扰能力强、定位精度高、并且定位精度稳定。同时具有ZigBee系统自组网、成本低、易安装部署的优点。
附图说明
图1是现有技术中采用RSSI算法的ZigBee定位系统定位原理图；
图2是本实用新型的CSS脉冲压缩示意图；
图3是本实用新型TOA定位原理示意图；
图4是本实用新型TDOA定位原理示意图；
图5是本实用新型的基于ZigBee技术的自组网定位系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图3-4对本实用新型的作进一步的描述。
（1）线性调频扩频(Chirp Spread Spectrum，CSS)技术
线性调频扩频(Chirp Spread Spectrum，CSS)技术来源于雷达系统中以Chirp信号为核心的脉冲压缩理论，经过脉冲压缩输出的信号具有Sinc函数包络， Chirp信号可简单理解成一种频率可调的脉冲信号，如下图，信号在时域上频率发生由低到高或者由高到低的变化(Up Chirp 或者 Down Chirp)，根据Up Chirp 或Down Chirp频率变化趋势的不同而变成1-0信号。
CSS信号最大技术特征是利用脉冲压缩技术，CSS脉冲压缩示意图如图2所示。该技术使得接收脉冲能量非常集中，且因有用脉冲幅值很大，很容易被检测到脉冲，在提高了分辨率同时，其抗干扰能力也很强。CSS的优点还包括：抗干扰：chirp经过匹配滤波以后，噪声被从宽带滤成窄带。所以CSS信号具有很强的抗干扰能力；低功率：能量在频率轴上被平均分布在一定的带宽之内，使得Chirp信号的发射功率变得很小；安全性：因为采用宽带系统所以功率密度低，甚至可以将信号淹没在噪声中，所以要截获侦查信号不容易，其保密性较好。
CSS通信和测距实现可选用德国nanotron公司的NA5TR1芯片，该芯片支持CSS技术下的无线通信和信号飞行时间测距。采用80MHZ带宽时，频谱密度较低，但能够获取较大的通道增益，从而轻松分辨出脉冲信号，并对多径干扰有较强的抑制能力；由于能够轻松分辨出脉冲信号，芯片能够识别出传输信号的发送时间、对应回复信号到达时间；并记录在寄存器中，供软件算法进行传输路径长度计算。该芯片基于IEEE802.15.4a标准，符合ZigBee规范。
（2）TOA定位算法
信号飞行时间测距是通过测量射频信号在参考节点和目标节点之间的传输时间，由电磁波传输速度计算得到参考节点和目标节点之间的距离，这种方法的优点是射频信号受到干扰时，影响的只是测距距离，不会影响测距精度。
TOA定位就是测量出两个(或多个)基站与移动台之间的信号传播时间，从而得到两个(或多个)基站到移动台距离的估计值，如图3所示，以基站为圆心，到移动台的距离为半径画圆，多个圆的交点就是移动台的估计位置。即，测量定位标签到固定参考节点的信号飞行时间，得到R1，R2，R3，计算定位标签的相对坐标。
（3）TDOA定位算法
TDOA定位算法是一种定位精度高、定位速度快和抗干扰能力强的定位技术。它是通过测量移动台发射端和多个基站接收端间的传输时延差（时间差），从而得到图4中所示两条或多条双曲线来实现定位。即，测量定位标签到固定参考节点的到达时间差，确定图中的两条双曲线，由双曲线交点得到定位标签的相对坐标，TDOA定位需要参考节点间精确时间同步。
本实用新型的基于ZigBee技术的自组网定位系统的结构框图如图5所示，所述定位系统包括数据处理中心、基于ZigBee技术的自组网络和具有定位标签的终端设备。
所述基于ZigBee技术的自组网络包括ZigBee协调器和多个定位基站，ZigBee协调器负责建立网络、管理维护路由表，定位基站具有ZigBee路由功能，在完成与终端设备的定位标签测距的同时，作为ZigBee路由器转发定位数据，所有定位数据通过ZigBee协调器上传到数据处理中心。
数据处理中心根据定位基站的固定参考节点坐标即可解算出具有该定位标签的终端设备的坐标，对终端设备进行定位。
所述基于ZigBee协议的自组网络基于CSS技术进行通信。
本实用新型的定位系统采用TOA或TDOA定位算法进行系统定位。
上述实施例仅是优选的和示例性的，本领域技术人员可以根据本专利的描述，采用不同的装置、设备来实现本专利，其都由本专利的保护范围所覆盖。
Claims (5)
1.一种基于ZigBee技术的自组网定位系统，其特征在于：包括数据处理中心、基于ZigBee技术的自组网络和具有定位标签的终端设备；
所述基于ZigBee技术的自组网络包括ZigBee协调器和多个定位基站，ZigBee协调器用于组建网络以及管理、维护路由表，定位基站具有ZigBee路由功能，在完成对终端设备的定位标签测距的同时，作为ZigBee路由器转发定位数据，定位数据通过ZigBee协调器上传到数据处理中心，数据处理中心根据ZigBee协调器传输的定位数据，对终端设备进行定位。
2.如权利要求1所述的基于ZigBee技术的自组网定位系统，其特征在于： ZigBee协调器向数据处理中心传输的定位数据为定位基站的固定参考节点坐标、定位标签到定位基站的距离，数据处理中心根据上述数据计算具有该定位标签的终端设备的坐标，对终端设备进行定位。
3.如权利要求1或2所述的基于ZigBee技术的自组网定位系统，其特征在于：所述基于ZigBee协议的自组网络基于CSS技术进行通信。
4.如权利要求3所述的基于ZigBee技术的自组网定位系统，其特征在于：所述系统采用TOA或TDOA定位算法进行定位。
5.如权利要求1或2所述的基于ZigBee技术的自组网定位系统，其特征在于：所述系统采用TOA或TDOA定位算法进行定位。
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