ZigBee定位解决方案与技术原理

ZigBee定位解决方案什么是ZigbeeZigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、 低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡 嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样 的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低 数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。Zigbee的起源Zigbee,在中国被译为紫蜂,它与蓝牙相类似是一种新兴的短距离无线技术ZigBee6Processor 炖關用于传感控制应用(sensor and control).此想法在IEEE 802.15工作组中提出，于是成立了 TG4工作组，并制定规范IEEE 802.15.4.2002 年,zigbee Alliance 成立.2004年,zigbee V1.0诞生.它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促，存在一些 错误2006年，推出zigbee 2006,比较完善.2007 年底,zigbee PRO 推出zigbee的底层技术基于IEEE 802.15.4.物理层和MAC层直接引用了 IEEE 802.15.4在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺 陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗 大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈， 而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种 电磁干扰。因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年正式问世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluet ooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetoot h的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE8 02.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。IEEE802.15.4规范是一种经济、 高效、低数据速率(v250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域 网和对等网络。它是ZigBee应用屋和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低 复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙 之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器 之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据 从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。Zigbee无线数据传输网络描述O EigBec网蜡协 弱(FFD) .為氏亡申堆銅护FD 驰Be掲站设玉展FU磁FFD)简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于 CDMA和GSM网络。 Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台， 在整个网络范围内，每一个 Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点 间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控 制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动 通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbe e“基站”却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其 所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资 料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担 网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。Zigbee采用的自组织网通信方式ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个 问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个 ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只 要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互 联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而， 模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就 是自组织网。ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信？网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不 能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路 维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当 于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而 言则非常重要。为什么自组织网要采用动态路由的方式？所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对 网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条 路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”即先选择路 径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类 推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化, 或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结 构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。Zigbee自身的技术优势低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作624个 月，甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较，1L工厂対也鬥 &牡!的如吟曜気II蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。现在，TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点。该节点 采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的Zigbee提供电源。 低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10),降低了对通信控制器的要求， 按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节 点少至4KB代码，而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为 2美元。 低速率。Zigbee工作在20250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4 GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输 数据的应用需求。 近距离。传输范围一般介于10100 m之间,在增加RF发射功率后，亦可增 加到13 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力 ，传 输距离将可以更远。 短时延。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点 连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要310 s、WiFi需 要3 s。 高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子 节点，最多一个主节点可管理 254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理， 最多可组成65000个节点的大网。 高安全。Zigbee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(A CL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准 (AES 128)的对称密码，以灵活确定 其安全属性。 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段,2. 4 GHz (全球)、91 5 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。Zigbee的频带1) 868MHZ传输速率为20KB/S适用于欧洲2) 915MHZ传输速率为40KB/S适用于美国3) 2.4GHZ传输速率为250KB/S全球通用由于 此三个频带物理层并不相同，其各自信道带宽也不同，分别为0.6MHZ,2MHZ和5MHZ.分别有1个10个和16个信道.不同频带的扩频和调制方式有区别虽然都使用了直接扩频(DSSS)的方式，但从 比特到码片的变换方式有较大的差别调制方式都用了调相技术，但868MHZ和915MHZ频段采用的是BPSK而2.4GHZ频段采用的是OQPSK在发射功率为OdBm的情况下，BLUETOOTH通常能用10M的作用范围.而基于IEEE 802.15.4的zigbee在室内通常能达到30-50米作用距离，在室外如 果障碍物少，甚至可以达到100米作用距离所以zigbee可归为低速率的短距离无线通信技术.Zigbee性能分析1数据速率比较低 在2.4GHZ的频段只有250KB/S,而且只是链路上的速率，除掉 信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足 100KB/S,并且余下 的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分因此不适合做视频之类事情适合的应用领域传感和控制 -Hi 斗 JapwiW :- JlJ1 2可靠性在可靠性方面，zigbee有很多方面进行保证物理层采用了扩频技术，能够在 一定程度上抵抗干扰MAC应用层（APS部分）有应答重传功能MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用 当zigbee网络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一 个工作信道上.3时延 由于zigbee采用随机接入 MAC层,且不支持时分复用的信道接入方式, 因此不能很好的支持一些实时的业务4. 能耗特性 能耗特性是zigbee的一个技术优势.通常zigbee节点所承载的应用数据速率都比较低，在不需要通信时，节点可以进 入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一 由于一般情况 下,休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到 很高的节能效果.5. 组网和路由性网络层特性zigbee大规模的组网能力每个网络60000个节点bluetooth 每个网络8个节点.因为zigbee底层采用了直扩技术，如果采用非信标模式，网络可以扩展得很大，因为不需同步而且节点加入网络和重新加入网络的过程很快，一般可以做到1秒以内，甚至更快.bluetooth通常需要3秒在路由方面,zigbee支持可靠性很高的网状网的路由，所以可以布置范围很广的网络，并支 持多播和广播特性，能够给丰富的应用带来有力的支持.Zigbee的应用前景Zigbee并不是用来与蓝牙或者其他已经存在的标准竞争，它的目标定位于现存 的系统还不能满足其需求的特定的市场，它有着广阔的应用前景。Zigbee联盟预言在未来的四到五年，每个家庭将拥有50个Zigbee器件，最后将达到每个家庭150 个。据估计，到2007年，Zigbee市场价值将达到数亿美元。其应用领域主要包括：家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气 计量控制、家用电器的远程控制等；工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制；商业：智慧型标签等；公共场所：烟雾探测器等；农业控制：收集各种土壤信息和气候信息；医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。ZigBee联盟ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织，成员包括国际著名半导体生产 商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。联盟制定了基于IEEE802.15.4 , 具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、 更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民 用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。ZigBee联盟所锁定的焦点为制定网络、安全和应用软件层；提供不同产品的协 调性及互通性测试规格；在世界各地推广 ZigBee品牌并争取市场的关注；管理技术的发展。ZigBee 联盟对 ZigBee 标准的制定： IEEE802.15.4 的物理层、 MAC 层及数 据链路层，标准已在 2003 年 5 月发布。 ZigBee 网络层、加密层及应用描述层的制定 也取得了较大的进展。 V1.0 版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会 陆续发布。由于 ZigBee 不仅只是 802.15.4 的代名词，而且 IEEE 仅处理低级 MAC 层和物理层协议，因此 ZigBee 联盟对其网络层协议和 API 进行了标准化。完全协议 用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的 4K字节或者作为Hub或路由器的协调 器的 32K 字节。每个协调器可连接多达 255 个节点，而几个协调器则可形成一个网 络，对路由传输的数目则没有限制。 ZigBee 联盟还开发了安全层，以保证这种便携 设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。引言设想一下，您冲进购物中心，急切地想为您的另一半选购他（她）称心如意的 生日礼物。您很自然地掏出手机或 PDA 来解决如何选购生日礼物的问题。此时， 您的移动手持终端设备将显示出购物中心的导购图，并在图上标明需前往的采购 区。移动手持终端设备上还将随时随地显示 出您可能会感兴趣的商品。射频（RF）技术有望使上述设想成为现实。有些ZigBee RF设备中内嵌的 定位引擎可以与室内 GPS 系统相媲美，其内嵌的定位引擎使用 ZigBee 网络的 RF 基础设施来计算事物或人所处的位置。与 GPS 相比，定位引擎在单芯片 RF 收发器中与 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。该种定位引擎既可用于室内，也可用于室外，而且只要有现成的 ZigBee 网络，就无需安装移动的接收天线。其典型的应用包括：遥控开/关房屋中所有房间的灯具；跟踪码头仓库的集装箱起运情况；跟踪网站的设备。另外，当新设备接入网络时，该定位引擎能够确定其物理位置，因此，它还能用 于简化无线网络的设置。后台设备大多数无线传感器网络都要求具备一种确定网络节点位置的方法。因此在设 备安装期间，需要弄清楚哪些节点相互之间直接进行数据交换，或者确定哪些节 点直接与中央数据采集点进行数据交换。当通过基于软件的计算方法来确定网络节点位置时，就需要考虑到市场化解 决方案（market solution）。这些具体的计算方法是：节点首先读取计算节点位 置的参数，然后将相关信息传送到中央数据采集点，对节点位置进行计算，最后， 再将节点 位置的相关参数传回至该节点。这就是典型的数据密集型计算，并且 需要配置一台 PC 或高性能的 MCU。这种计算节点位置的方法之所以只适用于小型的网络和有限的节点数量，是 因为进行相关计算所需的流量将随着节点数量的增加而呈指数级速度增加。因 此，高流量负载加上带宽的不足限制了这种方法在电池供电网络中的应用。针对上述问题，CC2431采用了一种分布式定位计算方法。这种计算方法根 据从距离最近的参考节点（其位置是已知的）接收到的信息，对节点进行本地计 算，确定相关节点的位置。因此， 网络流量的多少将由待测节点范围中节点的 数量决定。另外，由于网络流量会随着待测节点数量的增加而成比例递增，因此， CC2431 还允许同一网络中存在大量的待测节点。本文所提供的结果是根据对 ZigBee 网络的测量得出的，然而，这些测量结 果同样适用于基于 IEEE 802.15.4协议构建的更简单的网络。定位引擎技术定位引擎根据无线网络中临近射频的接收信号强度指示（RSSI）,计算所需 定位的位置。在不同的环境中，两个射频之间的 RSSI 信号会发生明显的变化。 例如，当两个射频之间有一位行人时，接收信号将会降低30dBm。为了补偿这种 差异，以及出于对定位结果精确性的考虑，定位引擎将根据来自多达 16 个射频 的RSSI值，进行相关的定位计算。其依据的理论是：当采用大量的节点后，RSSI 的变化最终将达到平均值。在 RF 网络中，具有已知位置的定位引擎射频称为参考节点，而需要计算定 位位置的节点称为待测节点。要求在参考节点和待测节点之间传输的唯一信息就是参考节点的 X 和 Y 坐标。定位引擎根据接收到的X和Y坐标，并结合根据参考节点的数据测量得 出的 RSSI 值，计算定位位置。将定位技术纳入网络协议一些采用定位引擎的应用可能要求放置若干个参考节点，以作为基础设施设 置不可或缺的一部分。ZigBee技术能够实现对家庭、办公以及工业等应用的无 线控制。随着ZigBee设备在楼宇基础设施中的安装数量不断增多，ZigBee将 会在家庭和办公自动化方面拥有更为广阔的应用前景。典型的办公场所都会配置ZigBee设备，通过各办公室和会议室中的温度传 感器、控制温度调节装置以及A/C导管。同时，每个房间还会安装由ZigBee控 制的灯具开关和设备，而这些设备又易于作为定位引擎的参考节点。将ZigBee 射频作为ZigBee协议栈上的参考节点所需的代码容量通常小于1 Kb。定位引擎从316个参考节点采集数据，并使用这些数据计算定位位置。如 果定位引擎从16个以上的节点接收到数据时，它则会将接收到的参考节点位置 进行分类，然后采用16个参考节点中信号最强的RSSI值。扩大覆盖范围定位引擎的覆盖范围为64mX64m，然而，大多数的应用要求更大的覆盖范 围。扩大定位引擎的覆盖范围可以通过两种方法来实现：*提高参考节点的输出功率，同时降低定位引擎计算结果的精度；*在一个更大的范围布置参考节点，并利用最强的信号进行相关参考节点的定位 计算。由于第二种方法能够在定位引擎扩大覆盖面的同时不牺牲定位精度，因此更 为可取。具体的工作原理是：网络中的待测节点发出广播信息，并从各相邻的参 考节点采集数据，选择信号最强的参考节点的X和Y坐标。然后，计算与参 考节点相关的其他节点的坐标。最后，对定位引擎中的数据进行处理，并考虑距 离最近参考节点的偏移值，从而获得待测节点在大型网络中的实际位置（见图 1）。图1表明定位位置和信息路径的ZigBee网络为了达到最佳的定位范围，当布置参考节点时，应同时考虑到室内和室外环 境中天花板/地板的吸附作用。最佳的方案就是使各节点处于相同的高度，并远 离地面、天花板以及墙壁。在实际的部署过程中要达到这种要求，是比较困难 的。因此，尽量将参考节点固定在天花板的高度或低于天花板的高度，并使天线倒置以使RF信号向外和向下传输，同时将待测节点（手持或固定于设备）放置在 人的腰部以上、头部以下位置（此处提到的高度是以人站立在该环境中为标准 的）。节点的这种设置方法实现了天花板和地板吸附作用的最小化，同时将实现 在该场所中的行人或物体之间相互干扰的最小化。定位引擎的精确性为了确保定位引擎的室内性能，在办公环境中将采用具有8个参考节点的 网络。根据现有表面将参考节点置于办公室的角落位置，如办公桌椅表面或其它 介于人的腰部和肩部之间的表面。在图2中，8个参考节点分别用AH 8个字 母来命名。H【亦L I押聃可A no. it-)整耳、沁KD |理If加tE i,V AEl燈坨申啪c： n*. fl-Ta僅為昌戒怕句H cnr ftSLur帼!Ml田Em risa a*：-图2室内办公环境在6个选定的位置采集定位估计值数据，每一位置的定位数据平均有20 个读取点。相关测试结果如表1所示。珂实薛值U辅定益怙计值带丸俭怙计值SUET 1Y(il-z) A2(Y-t) A2119617.71D.50.9530.4751.6920.254.68401537216.5102D.39.50.930.5Id.440.253.B327535331915.52D.93“：50.980 S53.9241.20252 35007017卫? .922 749 262.1B1 BB:日-760.06764 2679269表1 8个参考节点的室内测试结果（所有数字的单位均为m）在采集8个参考节点的数据后，将6个新增的参考节点添加到系统中。接 下来，在4个相同的位置，重新进行定位估计测算，观察这些新增的参考节点 对定位估计值的影响。14个参考节点的测量结果如表2所示。110.69.280.G7040 231D ;63 3H9359216.51018.59.D8D.65a .353.92 .8462.1833002531915.518.313.7D.78a .270.5483.3861.98322969d9726 i9.7Dfi1a 49na 49 90-06545图2 14个参考节点的室内测试结果（所有数字的单位均为m）当节点位置进入网络的覆盖范围时，定位的精确性将明显提高。而且，当网 络中设置的参考节点增多时，定位的精确性也将会不断提高。在本试验中，增设 6个参考节点后，4个位置的定位精确性都会有所提高，同时降低了各定位报告 位置的标准偏差（一致性）。提高精确性定位引擎采用来自附近参考节点的RSSI测量值来计算待测节点的位置。 RSSI将随着天线设计、周围环境以及包括若干其他因素在内的其他附近RF源 的变化而变化。定位引擎将数个节点的位置信息加以平均。增加节点的数量，则 可降低对各节点具体测试结果的依赖性，同时全面提高精确度。无论在什么情况下设置参考节点，都会影响到定位的精确性，这主要是因为 当参考节点设置在离相关表面很近的地方时，会产生天花板或地板的吸附作用。 因此，应尽量使用在各方位都具备相同发射能力的全向天线。结语定位引擎实现了 ZigBee网络射频的“房间式”精确性，而且功耗低，通信 开销也实现了最小化。另外，定位引擎技术还能运用现有的ZigBee基础设施来 确定网络中的位置。诸如此类的信息可由用于追踪目的的中央数据采集点轻松获 取，用户也可使用该定位引擎技术完成楼宇内的导航工作。