[发明专利]一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线通信下的网络节点定位方法，尤其是一种基于Zigbee网络的网络节点定位方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线通信是利用电磁波而不是通过线缆进行的通信方式，该通信方式已经渗入人民群众日常生活和国家经济发展的各个方面。其根据电磁波频率的不同，其通信协议和用途也大不相同，如中国移动GSM无线通信的890～960MHz、超市货物标签RFID无线通信的13MHz、无线广播、卫星通信等。

现代无线通信标准技术也在迅猛发展和完善之中，如3G通信标准(W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA)、4G通信标准(LTE)、蓝牙Bluetooth、Wi-Fi、Wimax、Zigbee等。其中Zigbee技术为一种新兴的近距离无线通信技术，由Motorala、Invensys、飞利浦和日本三菱电气在2002年10月共同发起并提出设计研究与开发，其优势在于低功耗、低体积、低复杂度、低速率、低成本。该项技术推出的同时，上述几家公司宣布成立Zigbee技术联盟，世界上各大公司和组织普遍看好Zigbee技术及其未来的应用潜力和价值，纷纷加入该技术联盟，使其不断地发展壮大。IEEE在2003年11月正式发布该项技术物理层和MAC层所采用的标准协议，即IEEE802.15.4协议标准，在2004年12月，Zigbee联盟正式发布了Zigbee技术标准，并在2007年进行了进一步的修订和完善，该标准的正式发布和完善，进一步推动和加速了Zigbee技术的实际应用。

随着半导体技术、计算机技术、通信技术和传感技术的飞速发展，物联网技术的研究与应用正在世界各地蓬蓬勃勃地展开。无线传感器网络作为物联网技术的感知层技术，在其发展起着至关重要的作用，因Zigbee技术特有的低功耗、低复杂度和低成本的优势，其无疑成为无线传感网络通信的首先技术，成功地应用到工业自动控制、智能电网等多个领域之中。

Zigbee网络由三种网络节点组成：网络协调器、路由节点、终端节点。网络协调器包含所有的网络消息，存储容量大、计算能力最强，发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不间断地接收消息；路由节点是网络中的中继，连接网络各个节点，延伸和扩展网络的覆盖范围和网络规模。终端节点是只能直接发消息给网络协调器和路由节点，所有采集的数据信息都经过该节点而进入Zigbee通信网络，对处理能力和内存的需求低，可进入省电模式。

网络节点的位置定位信息是Zigbee网络需求应用的重要组成部分。节点的位置信息的准确定位在Zigbee的应用中也同样非常重要，如用于井下人员管理时，当发生矿井灾难时，如何及时而准确知道被困人员的位置，就能够进行更加合理的搜救措施。正常情况下，Zigbee网络节点的无线覆盖距离不大于2千米，因此，节点的位置信息也只需要考虑2km的范围。目前，行业内通用的估算节点的位置信息的方法是基于RSSI接收信号强度指示来进行估算节点的距离，RSSI值随距离增加而减小，然而RSSI值受环境因素的影响比较大，在理想的空旷环境下，RSSI值能够准确地反映节点到参考节点的距离。但是现实应用中，环境总是错综复杂，信号的衰减总是与环境有着密切的关联，因此该方法也存在缺点，即在有多种障碍物的情况下，RSSI值波动比较大，无法有效准确反馈节点到参考节点的距离，RSSI与距离不存在严格的函数对应关系，因此也非常难由RSSI值精确计算两节点间的距离，总是存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于解决Zigbee网络下节点位置定位误差大、精度不高的问题，提供一种结构简单、定位准确、使用可靠的高精度节点定位方法。

本发明采用的技术方案为：利用节点间数据或信号传输的信号延迟来估算节点相对于参考节点的距离，并利用该距离来对基于RSSI接收信号强度指示估算节点的距离进行校准。

无线信号在空中接口上传输速率是固定的，其在空中的传输时延与节点至参考节点的距离成正比。当存在多种障碍物环境复杂的情况下，由于无线电磁波信号可能经过多种路径到达节点，而存在多径效应，时间以最先收到信号的路径长度为准，该路径为节点到参考节点的最短路径。因Zigbee技术旨在于不大于2km的近距离低速率无线通信技术，其所使用的频率在近距离范围内具有很强的穿透能力，最短路径也即是节点至参考节点的距离。

通过时间延时来估算出的节点位置与基于RSSI估算出的节点位置做比较，根据差值的大小了进行合适的校准，获取正确的节点定位信息。