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          物聯網無線模塊解決方案
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          無線傾角測量系統

           文章來源:未知編輯:admin時間:2020-03-06 13:40

          一、    概述
          Zigbee無線定位解決方案,可彌補GPS定位無法在室內使用,移動通信基站定位精度不高造成的定位技術空缺。該方案基于Zigbee無線網絡通過偵測AP無線信號強度實現移動終端的精確定位,可滿足用戶在無線網絡覆蓋范圍內的定位需求;提供實時定位結果察看,支持圖形顯示和歷史軌跡回放的個性化定制,適用于多種定位應用場景。 
           
          基于ZigBee無線網絡的定位技術,根據定位過程中是否測量節點間的實際距離,可分為基于測距(Range-based)的定位算法和無需測距(Range-free)的定位算法,前者需要測量相鄰節點間的絕對距離和方位,并利用節點間的估計距離計算節點位置;后者無需實際測量,而是利用節點間的估計距離計算節點位置。本方案可以根據實際應用需求,通過配置,方便的實現基于測距(Range-based)的定位算法和無需測距(Range-free)的定位算法。
           
          本方案還可以根據用戶實際需求,配置移動節點是否休眠節電,并且,移動節點也具有向中心節點傳輸傳感器數據、報警信息等能力,甚至當移動節點不用休眠節電時,移動節點還具有為其它移動節點自動路由轉發數據的能力。
           
          二、    系統結構圖
              



          三、    各設備功能原理說明
          1、 后臺定位軟件
          在系統后臺服務器運行的定位服務軟件,采用圖形化界面,顯示定位系統中各定位參考點的位置,并可動態顯示各定位移動點的位置。
           
          除了定位功能之外,定位服務軟件還可接收顯示定位參考點或定位移動點發送上來的采集的傳感器數據,報警信息等,并且對接收到的信息進行少量的回應,或者向定位參考點、定位移動點發送指示命令等。
           
          定位服務軟件服務軟件還應該具有對ZigBee節點具有配置管理功能,至少可以對ZigBee網關設備(ZigBee協議器)和定位參考點設備具有遠程配置功能。
          2、 以太網Zigbee網關
          以太網Zigbee網關設備是從Zigbee無線網絡到有線網絡的轉換設備。網關上配置有IP地址,利用IP網絡與后臺服務器連接,用TCP Socket連接到定位服務軟件開啟的TCP服務端口并保持實時在線。
           
          定位參考點和定位移動點上報的數據報,傳遞到ZigBee協調器,然后經ZigBee網關進行協議轉換后再發送到后臺定位服務軟件處理;定位服務軟件要下發到zigbee節點的回應或配置信息經TCP Socket連接發送到ZigBee網關,進行協議轉換后由ZigBee協調器轉發給各定位參考點或者定位移動點。
           
          3、 定位參考點
          定位參考點為事先布置好的、位置已知并且固定的ZigBee無線節點,它們作為ZigBee路由器節點,不僅可以自己向上上報數據,還具有中繼轉發其它定位參考點和定位移動點的數據的能力。
           
          定位參考點與以太網Zigbee網關一起組成一個無線mesh網絡,覆蓋整個定位區域,由于每個定位參考點都具有自動路由轉發能力,所以可以組成較大規模的無線網絡,這樣可以降低以太網Zigbee網關設備的數量并且減少以太網絡的布線,可以較大減少定位網絡的布置成本。
          4、 定位移動點
          定位移動點通常位于人體或者車輛等移動設備上,當人體或者其它移動設備在定位區域中移動,定位移動點通過與周圍的定位參考點通信,測量或估計定位移動點與多個定位參考點之間的距離,以確定定位移動點的相對位置,再由定位參考點或者定位移動點將位置或距離信息上報到后臺的定位服務軟件,以便后臺定位軟件界面上可以實時顯示定位移動點在定位區域的實時位置。
           
          定位移動點可以主動選取周圍的定位參考點為目標,與其進行距離測量,測量時既按傳統的RSSI的值進行評估,也能使用最新的TOF(Time Of Flight)技術進行評估,用TOF進行測量時,還可以進行多次以計算平均值,并且可以分別進行正向測量和反向測量,然后將結果進行綜合評估,以消除雙方由于晶體頻率偏差引起的誤差。
           
          定位移動點可以配置為定時休眠也可以配置為不休眠,取決于定位移動點采用什么方式供電。定位移動點還可以向后臺定位服務軟件上報報警等緊急由救信息,或者上傳一些少量的測量傳感器的數據。
           
          四、    本定位方案優勢分析
          1、 定位參考點具有路由能力,無線網絡覆蓋范圍大
          市場上有些基于ZigBee技術的定位系統,由于定位參考點沒有自動路由功能,這就將定位參考點與ZigBee協調器(網關)節點的距離限制在50米左右,并且每臺ZigBee協調器(網關)節點下所屬的定位參考點的數量限制在50個節點左右,這就大大限制了ZigBee無線網絡的網絡規模,使覆蓋較大的定位區域時所需要的以太網Zigbee網關設備增多,而增多的以太網Zigbee網關設備需要敷設更多的以太網線,從而大大增加了定位網絡的成本。
          而本定位方案的定位參考點作為ZigBee路由器設備,具有強大的路由能力,能夠自動為遠處的參考點和移動點進行路由轉發,從而擴大了整個無線網絡的網絡規模,在使用較少的以太網Zigbee網關設備的情況下可以覆蓋盡可能大的定位區域。
           
          2、 可兼容基于測距的定位算法和無需測距的定位算法
          本定位方案可能通過配置適合基于測距的定位算法和無需測距的定位算法。
           
          在定位移動點數量較小、又不是太密集出現并且要求精度較高的定位應用方案中,可采用基于測距的定位算法,使用這種算法時定位參考點也可以布置的較為稀疏。在這種應用方案中,定位移動點周期性的向周圍發送廣播命令,周邊收到的定位參考點進行回應,定位移動點收到多個參考點的回應后,按照一定算法選擇幾個合適的參考點然后開始與它們進行距離測試,距離測試完成后定位移動點將獲得的與幾個參考點的距離數據一并上報到后臺定位服務軟件,由定位服務軟件進行移動點位置評估并在圖形界面上顯示。
           
          在移動點數量比較大,又有可能較為密集地聚集在一起的定位應用中,比如一些人員定位系統,可采用無需測距的定位算法。在這種應用方案中,由于定位移動點數量大,分布又比較密集,所以一般也來不及進行距離測量,而這種定位系統往往對精確性要求較低,而對漏點率同要求較高,比如100個工人坐礦車同時經過礦口,你必須將他們全部檢測到而不是僅能檢測到95個。要實現這種定位方案,定位移動點只需要周期性廣播發送包含自身ID的TAG包即可,而周邊的定位參考點,則盡可能多的收集不同ID的TAG包,并將自己收集到的ID信息及聽到的RSSI值一并送到后臺定位服務軟件,由定位服務軟件根據多個定位參考點報上來的聽到某個ID的TAG包的RSSI的值,評估此ID的定位移動點所處的位置即可。
           
          3、 定位移動點可以休眠節能也可以不休眠節能,能夠支持上傳和下發數據
          在本定位方案中,定位移動點可以根據供電方式的不同,配置為使能休眠和不使能休眠,在使能休眠時,可以配置休眠周期和活動周期。在市場上有的定位方案中,定位移動點只能定時的發送TAG包,最多在TAG包中攜帶極少的報警信息,而本定位方案中,定位移動點不帶可以向主站上報較大量的傳感器測量等應用數據,也能夠接收從主站發送回來的響應信息、指示命令、配置命令等。定位移動點可以在完成定位距離測量的同時,完成應用數據的傳輸。
           
          4、 定位移動點也可以具有路由轉發能力
          在本定位方案中,定位移動點不一定是作為ZigBee EndDevice設備,也可以是ZigBee Router設備,只要有持續電源供應而無需休眠,定位移動點也可以具有路由轉發能力,在完成自身的定位距離測量的同時,自動為其它節點的數據進行路由轉發。
           
          5、 同時可支持基于RSSI值的距離測量和基于TOF的距離測量
          在使用基于測距的定位算法時,本定位方案中定位移動點不僅支持傳統的基于RSSI值的距離測量,也支持使用最新的TOF(Time Of Flight)技術進行距離測量。一般而言,當距離在10米以內時,基于RSSI的距離測量精度較高,在距離在10米以上時,基于TOF的距離測量精度較高,本方案可以據此在兩種測試方法的測量結果之間進行選擇;而基于RSSI值的距離測量,受人員朝向、天線方向、遮擋、干擾等因素影響較大,而TOF的測量結果則較為穩定。用TOF進行測量時,還可以進行多次以計算平均值,并且可以分別進行正向測量和反向測量,然后將結果進行綜合評估,以消除雙方由于晶體頻率偏差引起的誤差。
             
          五、    本定位方案缺點分析
          1、 PANID、信道、短地址等參數設定
          本定位方案沒有使用標準的ZigBee Pro的協議棧,無線網絡的PANID不是由ZigBee協調器自動分配,而是所有節點需要提前設定;無線網絡的工作信道也是需要提前設定,而不是由ZigBee協調器自動產生,其余各級節點依次加入;無線節點的短地址可以提前設定、也可以自動由唯一的IEEE 64位地址運算獲得,查不是像ZigBee Pro那樣逐級加入時由ZigBee協調器分配。
          如果所有無線節點都需要提前配置參數,這將增加定位系統部署時的工作量,現在比較好的辦法是使用多位撥碼開關來決定PANID和信道號,短地址由IEEE 64位長地址經過一定運算自動獲得;也可以將短地址與參考點的分布位置關聯起來,使用定位參考點的橫坐標和縱坐標的值組合來形成定位參考點的短地址。
          定位系統無線節點的PANID、信道號、短地址等參數,也可以在設備出廠時根據現場需求提前設置好,免得在安裝現場由安裝工作人員部署起來麻煩。

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