ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)GPS功能
成都無線龍通訊的C51RF-CC2431無線定位開發(fā)系統(tǒng)具有ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)GPS功能，同時提供各種ZigBee(CC2430/CC2431)開發(fā)工具。
定位引擎提供ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線裝置高定位精確度，且耗電低，還能減少額外通訊負(fù)擔(dān)，并能利用現(xiàn)有ZigBee基礎(chǔ)設(shè)施計算無線裝置在網(wǎng)絡(luò)里的位置，再由中央資料點搜集信息以供追蹤使用，或由使用者啟動此功能引導(dǎo)其在建筑物內(nèi)移動。
想像到一個商場的賣場，想購買一樣稱心的商品，該從那里著手？其實很簡單，如果商場上布置了定位系統(tǒng)，只要拿出行動電話或PDA搜尋商品區(qū)，行動裝置就會顯示賣場地圖，并且告訴消費者往那個方向走，當(dāng)消費者穿過賣場時，還會顯示可能感到興趣的商品。

德州儀器(TI)ZigBee無線射頻元件CC2431所含的定位引擎(Location Engine)就像是室內(nèi)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線射頻基礎(chǔ)設(shè)施計算物品或人員的位置。相較于GPS系統(tǒng)，把定位引擎和微控制器(MCU)全部整合至單晶片射頻收發(fā)器，不僅耗電量遠(yuǎn)少于GPS硬體，成本更不到其十分之一，且無論在室內(nèi)或室外，只要有ZigBee網(wǎng)絡(luò)的地方就能使用。常見應(yīng)用包括從屋內(nèi)不同房間移動時，遙控開燈或關(guān)燈；裝運碼頭的貨柜追蹤，以及從倉庫追蹤特定貨物。定位引擎還能簡化無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，能在新設(shè)備加入網(wǎng)路時找出其所在位置。

多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都需一套方法判斷網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置，所以使用者必須在安裝時決定應(yīng)該互相交換的資料，以及應(yīng)與中央資料搜集點互傳資料的節(jié)點。市場上許多解決方案透過軟體計算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置，這類系統(tǒng)的節(jié)點讀取位置計算所需的參數(shù)，然后把信息送到中央資料搜集點，算出位置后再傳回給節(jié)點，這個過程的運算量很龐大，須用到個人電腦或高效能微控制器。
這種計算位置的方式僅對小型網(wǎng)絡(luò)和少數(shù)節(jié)點有用，因為執(zhí)行計算所需的網(wǎng)絡(luò)流量會隨著節(jié)點數(shù)目的指數(shù)增加。高流量負(fù)載和頻寬不足讓這套方法只能用于電池供電的網(wǎng)絡(luò)，可利用分布式定位計算解決這個問題，可先讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點找出多個已知位置且距離最近的參考節(jié)點，然后根據(jù)參考節(jié)點傳來的信息計算本身的位置，因此，網(wǎng)絡(luò)流量將只出現(xiàn)在定位(移動)節(jié)點(Blind Node)連接范圍內(nèi)的節(jié)點。另外，由于網(wǎng)絡(luò)流量只會隨定位(移動)節(jié)點的數(shù)目等比例增加，所以同一個網(wǎng)絡(luò)可有很多個定位(移動)節(jié)點。本文介紹的結(jié)果是以ZigBee網(wǎng)絡(luò)測量值為基礎(chǔ)，但也適用于較簡單的IEEE 802.15.4網(wǎng)路。

剖析定位引擎技術(shù)
定位引擎會根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)里，相鄰無線裝置傳來的接收信號強度指標(biāo)(RSSI)計算自己的位置。隨著環(huán)境不同，兩臺無線裝置之間的RSSI信號會有很大差異，舉例來說，若有人在兩臺無線裝置的中間走過，接收信號就可能減少30dBm，為彌補這么大的差異，定位引擎增加多臺無線裝置傳來的RSSI值進行計算，以便得到精確的位置，這種做法的邏輯是利用多個節(jié)點求取平均值，即可將RSSI的變異量消除。
在無線射頻網(wǎng)絡(luò)里，已知位置的定位引擎無線裝置稱為參考節(jié)點(Reference Nodes)，須要計算其位置的節(jié)點稱為定位(移動)節(jié)點。參考節(jié)點與定位(移動)節(jié)點之間須要傳送的信息就是參考節(jié)點的X和Y座標(biāo)以及RSSI值。定位引擎會根據(jù)參考節(jié)點傳來的訊息測量RSSI值，配合所收到的X和Y座標(biāo)計算其位置。

有些定位引擎應(yīng)用須安裝多個參考節(jié)點，做為基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)的一部分。 ZigBee技術(shù)提供家庭、辦公室和工業(yè)應(yīng)用無線遙控能力，可廣泛用于家庭和工業(yè)自動化應(yīng)用，且會有更多ZigBee裝置安裝到建筑物的基礎(chǔ)設(shè)施，使ZigBee技術(shù)更普及化。
典型的辦公室環(huán)境可能會利用ZigBee應(yīng)用裝置控制每間辦公室和會客室的空調(diào)設(shè)備及含有溫度感測器的交流電源管線，每個房間還可能有ZigBee控制的電燈開關(guān)及設(shè)施，這些不同的設(shè)備很容易就能當(dāng)做定位引擎的參考節(jié)點使用，一般而言，ZigBee無線裝置只需很少程式，就能擔(dān)任ZigBee協(xié)定堆疊之上的參考節(jié)點。定位引擎能搜集3至16個參考節(jié)點的資料(實際參與計算的最多8個參考節(jié)點信息)，再利用這些資料計算位置，其若收到超過8個節(jié)點的資料，會根據(jù)這些參考節(jié)點的位置排序，然后使用前面8個節(jié)點的RSSI值。

擴大定位引擎連線距離
定位引擎的連線范圍為64米×64米(實際有效距離為63.75)，多數(shù)應(yīng)用卻須要涵蓋更大的范圍。有兩種方法能擴大這個距離，其一為增加參考節(jié)點的輸出功率，同時降低定位引擎的計算解析度，第二種為將多個參考節(jié)點放在較大的區(qū)域；執(zhí)行定位計算時，先找出信號最強的參考節(jié)點，然后計算其與該節(jié)點的相對位置。
第二種方法的效果較好，因不須降低精確度，就能讓定位引擎涵蓋很大的區(qū)域。網(wǎng)絡(luò)的定位(移動)節(jié)點會送出一個廣播訊息，然后搜集所有相鄰參考節(jié)點傳回的資料，并找出信號最強的參考節(jié)點及其X和Y座標(biāo)。接著，定位引擎會計算其他節(jié)點相對于該參考節(jié)點的座標(biāo)，處理完這些資料后，只要再加上最近參考節(jié)點的位移值，即可得到其在這個龐大網(wǎng)絡(luò)里的實際位置。

天花板和地板無論在室內(nèi)或室外環(huán)境都會吸收信號，因此選擇參考節(jié)點位置時必須將這些因素列入考慮，才能提供最遠(yuǎn)的連線距離。最理想的情形是讓所有節(jié)點的高度相同，并且遠(yuǎn)離地面、天花板和墻壁，但這在實際網(wǎng)絡(luò)布建卻很難做到。此時，不妨將參考節(jié)點固定在天花板或略低于天花板的位置，并將天線倒置以便射頻信號向外和向下傳送，至于定位(移動)節(jié)點，無論是手提式或固定在某些設(shè)備，其高度都應(yīng)位于一般人站立時的頭部和腰部之間。這種設(shè)定方式將天花板和地板吸收的信號減到最少，同時將人員和其他物體在環(huán)境中不斷移動所造成的干擾降低最低。

為了計算室內(nèi)效能，此處以一個包含八個參考節(jié)點的辦公室網(wǎng)絡(luò)為例。這些參考節(jié)點分布在各角落和其他有空間的地方，如辦公室家具和其他設(shè)施的表面，高度則介于腰部和肩膀之間，把這8個節(jié)點編號為A～H，在ZigBee(CC2431)定位系統(tǒng)中最高分辨率為0.25米。
位置估計值是由6個預(yù)先選擇的節(jié)點負(fù)責(zé)搜集，每個定位(移動)節(jié)點還會將每次定位計算所得到的20個讀數(shù)平均，其結(jié)果如表1所示。

搜集完4個參考節(jié)點的資料后，再把另外4個參考節(jié)點加入系統(tǒng)，然后同樣計算這4個定位(移動)節(jié)點的位置估計值，計算新加入的參考節(jié)點會對位置估計值產(chǎn)生多大影響，使用8個參考節(jié)點的測量結(jié)果如表2所示。所有數(shù)據(jù)都以米為單位，其中編號2～4所有的數(shù)據(jù)皆在網(wǎng)格范圍內(nèi)。

從表1和表2可看出，只要節(jié)點位置在網(wǎng)絡(luò)周邊范圍內(nèi)，定位精確度就可大幅提高，除此之外，定位精確度也會隨著參考節(jié)點的數(shù)目增多而提高。如把另外4個參考節(jié)點加入這項實驗后，不但4個定位(移動)節(jié)點的定位更精確，標(biāo)準(zhǔn)差也比較小，亦即數(shù)據(jù)更一致。

精確度受RSSI值所處環(huán)境影響
定位引擎是利用周圍參考節(jié)點傳來的RSSI測量值計算定位(移動)節(jié)點的位置，但RSSI卻會隨著許多因素改變，如天線設(shè)計、周圍環(huán)境和其他鄰近的射頻信號源。定位引擎會把幾個節(jié)點傳來的位置資料平均，因此增加節(jié)點數(shù)目可減少對個別節(jié)點的依賴程度，進而提高整體精確度。
參考節(jié)點的位置也會影響定位精確度，這主要是因為參考節(jié)點的位置很接近地板或天花板等表面時，其射頻信號會被這些表面吸收。此時不妨改用等向天線，才能將信號延著所有方向均勻傳送出去。