第 28卷 第 2期 2012年 4月 天 津 理 工 大 学 学 报 JoURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY oF TECHNoLoGY Vo1．28 No．2 Apr．2012 文 章 编 号 ：1673—095X(2012)02—0011—05 基 于 ZigBee网络 的室 内定 位 系统 的设 计 与 实现 白旭华 ，张瑞峰 ，张 肖萌 ，王桂英 (天津 大学 电子信 息工程学 院 ，天津 300072) 摘 要 ：针 对 当前室 内定位 系统成本高、精度低 、可靠性差 的缺点 ，设计 出了一种基 于 ZigBee无线传 感 网络 的无线 室 内定 位 系统 ．系统硬 件 以德 州仪 器公 司 CC2530片上 系统 为核 心 ，软 件 基 于德 州仪 器公 司 Z—Stack协 议 栈 将 测 距 标 定 与完整定位流程结合起 来，通过测量接 收信号强度计算待 定位节点到参考 节点的距 离，然后利 用三 角形质 心算法 进行定位 ，确 定待 定位 节点坐标 ．实际测试表 明：该 室 内定位 系统操作 简单 ，可靠性高 ，定位精度达到 25 cm 以内，定 位 误 差 期 望 为 9．76 cm． 关键词 ：ZigBee；定位 ；测距 ；接收信号强度 中 图分 类 号 ：TN92 文 献 标 识 码 ：A doi：10．3969／j．issn．1673-095X．2012．02．003 Design and im plem entation of indoor positioning system based on ZigBee network BAI Xu—hua，ZHANG Rui—feng，ZHANG Xiao—meng，W ANG Gui—ying (School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China) A bstract：This paper designed a indoor positioning system based on the ZigBee wireless network， considering the weakness of existing products ，such as high cost，low accuracy and poor reliability．The core of the hardware of this system is CC2530 system—on—chip produced by Texas Instruments(TI)，the software based on Z—Stack protocol Stack is also belongs to TI， which combines the distance—measuring calibration process and the entire localization process．First，calculate the distance between unknown node and reference nodes by measuring the receiving signal strength，then，determine unknown node eoor— dinate using the triangle centroid local ization algorithm ． The actual test shows that the indoor positioning system is sim ple op— eration，high reliability． The positioning accuracy can reach within 25 cm ，the positioning error expectations is 9．76 cm ． Key words：ZigBee；localization；distance—measuring；received signal strength 无 线 室 内定 位技术 是指 在 无线 网络 中利用 终 端 ZigBee技 术作 为一 种新 兴 的低 成 本 、低 功耗 、低 设备与网络的配合，确定移动终端 的实际位置信息， 速率的短距离无线通信技 术 ，它的独特技术特点使 进而 向用 户提供所 需 的位 置 、方 向相 关 服务 ．主要 应 得 其 成 为 无 线 传 感 器 网 络 中 的 理 想 通 信 技 术 选 用于 ：如机 场大 厅 、展 厅 、仓 库 、超 市 、图书馆 、地 下 停 择 J．随 着对 ZigBee技 术 研 究 的不 断 深 入 ，大 量 的 车场 等环 境 中．现今 实 用 的 定 位 系 统 多 半 基 于 GPS 实用 ZigBee硬 件 、软件 载体都 相继 被推 出 ，使 得基 于 技术 ，它要 求移 动 台集 成 GPS接 收 器 ，受 定 位 时 间 、 ZigBee技术 的无 线传感 器 网络 和 定位 技 术 获得 了迅 定位 精度 、室 内复 杂环 境 、高 成本 等 条 件 的 限 制 ，不 猛 的发 展．尤其 是 基 于 ZigBee技术 的定 位 系统 的研 适宜 室 内定位 ，所 以低成本 、高可 靠性 的新 型 室 内定 究 与 开发逐 渐成 为 了一个 研究 热 点 ．基 于上 述 原 因 ， 位 系统 的研究 开发 变得非 常 紧迫． 设 计 一种基 于 ZigBee的室 内定位 系统 ． 收 稿 日期 ：2012—03—07． 基金项 目：国家 自然科 学基金 (60777014)；教育部博士点基金 (20090032110027)；天津市应用基础及前沿技 术研究计划 (O9JczDJc256OO) 作者简 介：白旭华(1986一 )，男 ，硕 士研究生 ，E—mail：baixuhua@ u．edu．cn． 

· l2· 天 津 理 工 大 学 学 报 第 28卷 第 2期 1 系统 结构及测量原理 均值 即为待定 位节点 的坐标 ． 实 际情况 下 由于室 内环 境 的复 杂 性 ，接 收 信 号 系统结构 ：系统 采 用 9个 参 考 节 点 与 1个 待 定 强 度与计 算 出 的 总有 误 差 ．三 角 形 质 心定 位 算 法 的 位 节 点 的组 合 方 式 ．即 ZigBee节 点 分 属 于两 类 Zig— 基 本思想 是 ：分 别 以参 考 节 点 A，B，C为 圆心 ，换 算 Bee网络设 备 ：多个 坐 标 已知 的参 考 节 点 ，和 一个 坐 出的参 考点 到未知节 点 的距 离 ，r6，rc为半 径 画 圆 ， 标 未 知 的待 定 位 节 点 ，其 中一 个 参 考 节 点 由协 调 器 可得交 点 E、F、G，其 中 E点 坐标计 算公式 为 充 当 ，其余 的参 考节点 和待 定位 节 点 均 为终 端设 备 ． 从 ZigBee网络 的角度 来 讲 ，作 为参 考 节点 的协 调器 是最 重要 的 ，它起 着维 持该 ZigBee网络运 转 的作用 ． ≤ rⅡ ≤ (2) 从 定 位应有 的角 度 来 讲 ，作 为 待 定 位 节 点 的终 端 设 【√( 一 ) +(Y 一Y ) ≤r 备十 分重要 ，全 部 的操 作控 制是 在 该 节点 上 实施 的． 如果 定位 终端 与基 站连接 可将 定 位信 息 发送 给个 人 终端 ．系 统结构 如 图 1所示 ． ， ＼ ＼ ／， 参考 ／ 节点 I 』 ＼ — 、 、 嚣 测 量 原理 ：系统 以接 收 信 号 强 度 (Received Sig— nal Strength Indication，RSSI)的测 距 技 术 为 前 提 ．接 收信 号 强度 的定位 方 法 ，是 在 已知 发射 节 点 的发 射 信 号 强 度 ，根 据 接 收 节 点 收 到 的信 号 强 度 ，计 算 出 信号 的传播损耗 ，再利用理论和经验模 型将传输损 耗 转 化 为 距 离 值 ，最 后 根 据 距 离 计 算 节 点 的 位 置 ．接 收 信 号 强 度 (RSSI)理 论 值 可 由式 (1) 表示 ： RSSI=一(10n·lg(d)+A) (1) 式 中 ：n代表 信号 传播 常量 ，也 叫传 播 指数 ；d代 表距发射器问的距离 ；A代表距离 1 m时的接收信号 强度 ．信号 的衰 减与距 离成 对数 衰减 的关 系． 系统 基于 理想 电波传 播模 型 ，采 用 了“RSSI一距 离 ”与 曲线 拟 合 法 相 结 合 的 方 法 ：根 据 标 定 得 到 的 “RSSI一距 离 ”关 系 拟合 出一 个解 析 函数 (单 调 性 为 单调 减 )，用测 得 的 RSSI值 ，反解 求 距 离 ，避 免 了多 个距 离值 对应 一个 RSSI值 的情 况．将 参 考节 点 分 为 同理 ，可计算 出 F和 G，以点 E、F、G为顶 点 的三 回 器 角形的质心O的坐标为『 L j ， 1． J 2 硬 件 设 计 硬件 设 计 分 为 两 部分 ，ZigBee模 块 和 辅 助 功 能 模块 ．ZigBee模块 对应一 种 电路 板 ，该板 将 核 心 芯片 的硬件 资源 向外 扩 展 ．辅 助 功 能 模 块 对应 两 种 电路 板 ．一种 是具备 全部 辅助 功能模 块 的液 晶扩 展板 上 ， 另 一种 是只 具 备基 本 辅 助 功 能 模 块 的简 化 扩 展 板 ． 使 用时需 要将 ZigBee模 块与 任一种 扩展板 组合 在一 起 ，方可 组成 ZigBee节 点．参 考节点 选用 简化功 能扩 展 板 ，减 少 系 统 功 耗 ，待 定 位 节 点 选 用 全 功 能 扩 展 板 ，利用 LCD屏 幕进 行可视 化 的操作 ，显示最 后得 到 的坐标 ． ZigBee模 块 以德 州 仪器 公 司 CC2530片 上 系 统 为核心 ，集成 了 RF收发 器和增 强型 8051CPU． 全 功能 扩展板 是一块 具备 完 整辅 助 功 能模 块 的 扩展板 ，板上 包括 图形 汉 字 LCD显 示 器 、小键 盘 、传 感器 接 口、与 RF射 频模 块 相 连接 的接 口插 槽 、可 调 电阻 、LED、JTAG仿真 器 接 口、电源 接 口和 RS一232 接 口．LCD显示 屏 和小 键 盘 允 许 用 户 可视 化 的操 作 定位 流程 ，见 图 2． 图 2 全 功 能 扩 展 板框 图 三组 ，通 过待 定 位 节 点 到 坐标 已知 参 考 节 点 的 距 离 Fig．2 Full-function expansion board block diagram 根据 三 角形 质 心算 法计 算 出各 组 的质 心 坐标 ，求 平 

2012年 4月 张瑞峰 ，等 ：基于 ZigBee网络的室 内定位系统 的设计与实现 ．13． 简 化功 能扩 展 板 只具 备 ZigBee模 块 接 口插 槽 、 息 ，并且 在达 到预 定发 送次 数 时 自动 停发 ，进 入 待 机 供 电电路 、复位 电路 和调试 器接 口 ，见 图 3． 状 态 ： ZigBee 模块 接 口插 槽 3)发送完 RSSI采样 消息 后 ，参 考节 点将 进 行 一 些 操作 ，并且 向待 定位 节点 回复 消息 ．待 定 位节 点 接 收到 消息后 ，通 过消 息簇 ID判 断 消 息源 是 哪个 参 考 节 点 ，再从 消 息 数据 字 段 取 出从 该 参 考 节 点 收 到 的 图 3 简 化 功 能 扩 展 板 框 图 RSSI采样 值 的平均值 ，赋 给该参 考 节点对 应 的变量 ； Fig．3 Simplified function expansion board block diagram _ - 4)用户 按下 “计算 距 离 ”按 钮 ，MCU根 据 预先 存 储 的“RSSI一距 离 ”对应 表 或 “RSSI一距 离 ”解 析式 ， 3 软 件 设 计 软件 设计 基 于 德 州 仪 器 开 发 的 Z—Stack协 议 嚣 栈 ，软件运 行 的 基本 流 程是 由待 定 位 节 点 发 起 定 位 处理 过程 ，待 定 位 节 点 向参 考节 点 广 播 一 定 量 的消 通 过查 表 的方 法 找 出参 考 节 点 返 回 的 RSSI平 均值 ●●●●●I 时间轴 设节已 端考标 终参坐 所 对应 的距 离值 ； 5)用户 按下 “计 算 坐标 ”按 钮计 算 坐 标 ，待 定 位 备点知 节 点 软件流 程 如图 5所示 ． 息 ，消息 的 内容 并不 重要 ，重要 的是从 接 收到 的 消息 开 始 同时测量接收到的信号 强度 ，即 RSSI值 ，两个参考 节点分别计算所收到的消息 的 RSSI值 的平均值．参 考 节点再 将 各 自算 得 的平 均 值 发 送 给 待 定 位 节 点 ， 之 后 的操 作 全部 在 待 定 位 节 点 上 实 施 ．整 个 系统 运 行 流程 如 图 4所示 ． 协 调 器 参考 节点 坐 标 已 知 终端 设备 待定位 节点 坐标 已知 入 网 成 功 二[ 定 位开始 按键 网 接 收各参 考节 点发 回的RSSI平均值 发 送 RssI 采样 消息 发送 RSSI 采样 消息 i 返 回 RSSI 平 均值 返 回RSSI 平 均值 根据 平均值 计算距 离 根据距 计算 坐标 ．．Jl_ 计算 距离 工 计 算坐标 T 定位 结束 图 5 待定位节点软件流程 Fig．5 Be portioned node software proc ess 图 4 系统 工作 流 程 图 3．2 参 考节 点软件 流 程 Fig．4 System work fiow chart 1)成 功建 立／加 人 (对 于协 调 器 是 建 立 ，对 于终 3．1 待 定位 节点 软件 流程 1)当待 定位 节 点 成 功 加 入 网络 后 ，开 始 整 个 定 位 工作 ； 2)用 户通 过 按 键 启 动 定 位 流 程 ，先 按 下 “发 送 RSSI采样 消 息 ”按 钮 ，发 送 消 息 函数 先 检 查 是 否 已 经 发送 了预 订 次 数 的消 息 ，如 果 没 有 到 达 预 订 次 数 则立即发送一条 内容为空 的消息 ，向待处理事件 队 列 中写入一 个 事 件 编 号 ，这 样 就 实 现 了循 环 发 送 消 端设 备是 加入 )网 络后 ，LED指示 灯 亮 ．开 始 整个 定 位 工作 ； 2)如果 收到 “RSSI采样 ”消息 ，则将 消息 的 RSSI 值 提取 出来存 入 预先定 义 的数组 中 ； 3)停止 响应 “RSSI采样 ”消息 后 ，计算 已经 收 到 的 RSSI采样 值 的平 均 值 ，然 后 立 即发 送 一 条 消息 ， 消息 的数据 字段是 刚 刚算 出的 RSSI平均 值 ，循 环发 送 一定 量 的 RSSI平均 值 ，然 后 检 查是 否 已发 送 了预 订次数 的 RSSI平均值消息 ，以免待定位节点收不到 

· 14 · 天 津 理 工 大 学 学 报 第 28卷 第 2期 RSSI平 均值 ，参考 节点 软件 流程如 图 6所 示 图 7 “RSSI一距 离 ”曲线 Fig．7 R SSI— dista nce curve 其 中 纵 轴 为 RSSI，横 轴 为 距 离 ，因 此 变 量 替 换 后 ： RSSI= 一15．224×In(d)+1．695 (4) 已知 RSSI时 ，反解 d的计算 公式 为 d： —= (5) 3 2)定位 ．将 9个 参考 节点放 置 在坐 标轴 的 相量 ． 总共选 定 了 32个 坐标点 进行 测试 ，这 些 点位 于二 维 平面 中 的两条 直线 上 ，分 别是 Y= 和 Y= 一 +250， 每条 直线上 16个 点 ，一 条直线 上 的 每相 邻 两个 点 的 横 、纵 坐标分 别相 差 10 C1TI． 室 内场地 完 整定 位 实验 的数据 如 表 2所 示 ，真 图 6 参 考 节 点 软 件 流 程 Fig．6 Reference node software process 4 实 验 测 试 1)标 定．节 点 间距 由 10 cm逐 渐增 大到 400 cm． 其 间每 次 移动 使 节 点 间距增 大 10 cm，总共 4O个 标 定点 ，每个 表 定 点 待 定 位 节 点 向参 考 节 点 发送 256 次 RSSI采 样消 息 ，参 考 节 点 接 收并 计 算 平 均 值 ，进 行 曲线拟 合．标 定实 验数 据如 表 1所 示 ，根据 标 定 实 表 2 室 内定 位 实验 数 据 (单 位 ：cm ) 验数 据得 到 的“RSSI一距 离 ”关 系 曲线 如 图 7所示 ． Tab．2 Indoo r locating experim enta l data 对 图 7中 的曲线进行 了拟合 ． 表 1 室 内标 定 数 据 (距 离 单位 ：cm，RSSI单 位 ：dBm) Tab．1 Indoor calibration data 曲线拟 合结 果 ： Y=一15．224×In( )-4-1．695 (3) 

2012年 4月 张瑞峰 ，等 ：基 于 ZigBee网络的室内定位系统的设计与实现 ．15． 实 坐标点 是 指 预 先设 定 的一 系列 测 量 点 ，实验 时将 于接收信号强度 的无线传感 网络 ，使 Zigbee网络能 待 定位 节点 放 置 在 这些 坐标 点上 ，然后 运 行定 位 程 与定 位 终端实 时通 信 ，提高 了系统 的 稳定 性 ，可 以实 序 ，待定 位节 点 液 晶屏 幕 上 最 后 显 示 的 坐 标 值 为 定 现 低 成 本 、高 精 度 定 位 ，满 足 了室 内定 位 的 基 本 要 位 坐标 ． 求 ．由于 ZigBee模块 的输 出功率 限 制 了工 作 系 统 的 连 接各 个坐标 点 连接所 得 的待 定 位 节 点移 动 轨 应 用范 围 ，输 出功 率与 电路 板 布局 、天 线 的设 计 有很 迹 如 图 8所 示． 大 关系 ，所 以在 实 际应 用 中要 根 据 要 求设 计 ZigBee 模 块 ． 参 考 文 献 ： [1] Pedro C，Kafai C，Yinghoi L．A ZigBee—Based wireless sensor network node for ultraviolet detection of flame『J 1． IEEE Transactions on industrial electronics，201 1，58 (11)：5271—5277． O [2] 张 兵 ，林建辉 ，伍川辉 ．基 于 zigBee技术无线传输 网 图 8 室 内 定 位 实 验 效 果 图 Fig．8 The experim ental result of indoor location 络的设 计 与 实 现 [J]．仪 表 技 术 与 传 感 器 ，2009，2： 49—51． [3] 孙学 岩．基于 Zigbee无 线传感 器 网络的温 室测控 系统 3)统 计 学 分 析 ．经 计 算 室 内 定 位 精 度 达 到 [J]．仪表技术与传感器 ，2011，10：47—49． 25 cm以内 ，定 位误 差 的期 望 为9．76 cm，定 位 偏差 随 [4] 倪 巍 ，王宗欣．基 于接 收信 号强 度测量 的室内定位算 着距 离 的增大 ，信号 强度 减 弱 ，误 差 增 大 ；此外 ，多径 传播 成 为主 要 影 响精 度 的 因素 ，不 能 预 测 到 哪个 测 试 点处 多径分 量叠加 相 长哪个 测 试 点 处多 径 分量 叠 加相 消 ．如标定 时 ，两节 点 相距 100(3m测 得 RSSI为 一 65 dBm，但 是定 位实 验 时 ，节 点 间距 约 150 cm，因 法 [J]．复 旦 大 学 学 报 ：自然科 学 版 ，2004，43(1)： 72—76． [5] 陈永 光 ，李修和．基 于信 号强度 的室内定位 技术 [J]．电 子学 报 ，2004，32(9)：1456—1458． [6] 罗炬锋 ，邱云周 ，付耀 先 ，等 ．研究片 内多径 分离技术在 基 于 RSSI定位 中的应用 [J]．电子与 信息学 报 ，2011， 为 多径 叠 加 相 长 ，测 得 RSSI也 为 一65 dBm．这 就 导 33(4)：891-895． 致 了50 cm的测 距误 差 ，计 算 坐标 时误 差 也就 更大 ． [7] 章 磊 ，黄 光明．基于 RSSI的无线传 感器 网络节点定 5 结 论 将 ZigBee技 术应 用 于室 内定位 系统 ，设计 了基 位算 法[J]．计算机工程与设计 ，2010，31(2)：291—294．