目前在市面上有多种定位系统,包括Zigbee、WiFi等,以及最新的CSS定位系统。从定位原理上分析,一般的定位系统都可以归纳到基于时间的系统、基于信号强度系统,而这两类系统都有着各自的共性。下面以这两种系统的典型代表CSS系统(基于时间)和Zigbee系统(基于信号强度)进行比较,从而得出其是否适用的结论。  以下对比均设定CSS系统和Zigbee系统的射频功率为0dBm, 1mW。

测量原理
  从原理上说,任何定位系统首先需要获取邻节点之间的距离。Zigbee采用测算节点之间连接信号强度(RSSI)的方法,利用无线信号的空间传输衰减模型估算出节点间传输距离。  Zigbee进行RSSI测量估算的原理。这种测量是区域性的,和节点前端的低噪音处理电路有很大关系。空间自由传输模型的RSSI衰减估算公式如下:

Loss=32.44+10klgd+10klgf

其中,d为节点距离(单位为km),f为频率,单位为MHz;k为路径衰减因子。在实际应用环境中,由于多径、绕射、障碍物等因素,无线电传播路径损耗与理论值相比有较大变化。而由于在不同的空间环境中,上述干扰因素是不确定的,K因子具有较大的不确定性。有研究人员对环境干扰进行进一步的处理,期望获取更接近于实际空间传输特性的模型,如用对数-常态分布模型。进一步用对数-常态分布模型绘制RSSI曲线图观察,发现有如下的明显结论:

  • 1. 节点到信号源的距离越近,由RSSI值的偏差产生的绝对距离误差越小;
  • 2. 而当距离大于80 m时,由于环境随机数Xσ的影响,由RSSI波动造成的绝对距离误差将会很大;
  • 3. RSSI由于采用信号衰减进行测量,理论测量的精确距离范围在80米以内,80米以外甚至将无法获得粗略的距离信息;在实际使用中,由于环境等因素的影响,达到3米精度左右精确测量的最大范围将在15-30米。
  • 4. 从测量原理上分析,基于信号强度的系统将不能支持长距离测量,最大的问题在于,当环境变化而K因子变化较大时,原先建立起来的估算模型将不能胜任,而必须重新进行系统的校正,也就是环境适应性差,这在实际的应用中是不可接受的。
测量精度
  在实际的野外应用中,精度的要求并没有室内定位系统高。假设实际的需求是5米,根据图3的衰减模型(虚线),Zigbee系统在30米以内能够进行大约5米级的距离分辨,80米以内能够进行10米级的分辨,而80米以外对信号波动已经无法识别。实际应用中这些值将都有所降低。  0 dBm Zigbee系统 通讯距离100米 有效测量范围30米

测量范围
  出于分辨率的考虑,0dBm理想最大测量距离在80米,实际测量距离将在30米以下。这将使得普通的传感器网络应用,所部署的点十分密集。如果大范围应用,只能利用其他的概率估算方法进行粗略定位,而此时的误差将可能达到网络覆盖半径的30%。  如果采用功率放大器,测量范围将进一步扩展,但是仍然存在的问题如下:

  • 1. 功率放大器的差异性将影响测量距离,需要用户进行逐一校准;
  • 2. 根据衰减曲线,在通讯距离末端的30%范围内,将仍然因为RSSI的波动而难以识别。
适配协议
  目前支持Zigbee的芯片虽然物理层不同,但是网络协议层均可以一致。Zigbee协议栈:可以免费采用个别厂家库文件,并不开放源代码;
抗干扰性
  带宽:Zigbee 系统只有几兆带宽的窄带系统,所以频谱密度高,极易受到外界干扰。  天线:利用Zigbee定位,需要天线进行良好的处理,避免由于天线以及部署位置的不同而导致原先的校准失效。举个例子说,如果一个Zigbee节点的定位校准工作是在地面1.5米高度进行的,那么当放在地上,天线方向也变了的时候,前面的一切校准工作已经失效,甚至测不出数据。

环境:当雨天、雾天、丛林中使用该系统时,由于Zigbee的信号强度基本上被吸收,会严重偏离运算模型;

保密与安全
  Zigbee系统采用DSSS调制,虽然也同样具有较好的保密性,但是频谱密度仍然相对较高,易于受到外界施加的干扰。
总结
  综上所述,在定位系统中,Zigbee是完全不可行的方案,主要原因如下:

  • 1.定位机理:Zigbee定位从原理上来看,就是一种实验室的方法,在本质上环境适应性差,容易受到外界施加的干扰,而无法在工程中应用。
  • 2.测量精度:信号模型的估算方法从本质上会由于空间物质变化而产生较大误差,3-5米已经是理想的精度;实际应用时,信号覆盖范围内大部分空间无法定位是正常情况。
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