无线倾角测量系统

一、    概述
Zigbee无线定位解决方案，可弥补GPS定位无法在室内使用，移动通信基站定位精度不高造成的定位技术空缺。该方案基于Zigbee无线网络通过侦测AP无线信号强度实现移动终端的精确定位，可满足用户在无线网络覆盖范围内的定位需求；提供实时定位结果察看，支持图形显示和历史轨迹回放的个性化定制，适用于多种定位应用场景。 
 
基于ZigBee无线网络的定位技术，根据定位过程中是否测量节点间的实际距离，可分为基于测距（Range-based）的定位算法和无需测距(Range-free)的定位算法，前者需要测量相邻节点间的绝对距离和方位，并利用节点间的估计距离计算节点位置；后者无需实际测量，而是利用节点间的估计距离计算节点位置。本方案可以根据实际应用需求，通过配置，方便的实现基于测距（Range-based）的定位算法和无需测距(Range-free)的定位算法。
 
本方案还可以根据用户实际需求，配置移动节点是否休眠节电，并且，移动节点也具有向中心节点传输传感器数据、报警信息等能力，甚至当移动节点不用休眠节电时，移动节点还具有为其它移动节点自动路由转发数据的能力。
 
二、    系统结构图
    

三、    各设备功能原理说明
1、 后台定位软件
在系统后台服务器运行的定位服务软件，采用图形化界面，显示定位系统中各定位参考点的位置，并可动态显示各定位移动点的位置。
 
除了定位功能之外，定位服务软件还可接收显示定位参考点或定位移动点发送上来的采集的传感器数据，报警信息等，并且对接收到的信息进行少量的回应，或者向定位参考点、定位移动点发送指示命令等。
 
定位服务软件服务软件还应该具有对ZigBee节点具有配置管理功能，至少可以对ZigBee网关设备（ZigBee协议器）和定位参考点设备具有远程配置功能。
2、 以太网Zigbee网关
以太网Zigbee网关设备是从Zigbee无线网络到有线网络的转换设备。网关上配置有IP地址，利用IP网络与后台服务器连接，用TCP Socket连接到定位服务软件开启的TCP服务端口并保持实时在线。
 
定位参考点和定位移动点上报的数据报，传递到ZigBee协调器，然后经ZigBee网关进行协议转换后再发送到后台定位服务软件处理；定位服务软件要下发到zigbee节点的回应或配置信息经TCP Socket连接发送到ZigBee网关，进行协议转换后由ZigBee协调器转发给各定位参考点或者定位移动点。
 
3、 定位参考点
定位参考点为事先布置好的、位置已知并且固定的ZigBee无线节点，它们作为ZigBee路由器节点，不仅可以自己向上上报数据，还具有中继转发其它定位参考点和定位移动点的数据的能力。
 
定位参考点与以太网Zigbee网关一起组成一个无线mesh网络，覆盖整个定位区域，由于每个定位参考点都具有自动路由转发能力，所以可以组成较大规模的无线网络，这样可以降低以太网Zigbee网关设备的数量并且减少以太网络的布线，可以较大减少定位网络的布置成本。
4、 定位移动点
定位移动点通常位于人体或者车辆等移动设备上，当人体或者其它移动设备在定位区域中移动，定位移动点通过与周围的定位参考点通信，测量或估计定位移动点与多个定位参考点之间的距离，以确定定位移动点的相对位置，再由定位参考点或者定位移动点将位置或距离信息上报到后台的定位服务软件，以便后台定位软件界面上可以实时显示定位移动点在定位区域的实时位置。
 
定位移动点可以主动选取周围的定位参考点为目标，与其进行距离测量，测量时既按传统的RSSI的值进行评估，也能使用最新的TOF（Time Of Flight）技术进行评估，用TOF进行测量时，还可以进行多次以计算平均值，并且可以分别进行正向测量和反向测量，然后将结果进行综合评估，以消除双方由于晶体频率偏差引起的误差。
 
定位移动点可以配置为定时休眠也可以配置为不休眠，取决于定位移动点采用什么方式供电。定位移动点还可以向后台定位服务软件上报报警等紧急由救信息，或者上传一些少量的测量传感器的数据。
 
四、    本定位方案优势分析
1、 定位参考点具有路由能力，无线网络覆盖范围大
市场上有些基于ZigBee技术的定位系统，由于定位参考点没有自动路由功能，这就将定位参考点与ZigBee协调器（网关）节点的距离限制在50米左右，并且每台ZigBee协调器（网关）节点下所属的定位参考点的数量限制在50个节点左右，这就大大限制了ZigBee无线网络的网络规模，使覆盖较大的定位区域时所需要的以太网Zigbee网关设备增多，而增多的以太网Zigbee网关设备需要敷设更多的以太网线，从而大大增加了定位网络的成本。
而本定位方案的定位参考点作为ZigBee路由器设备，具有强大的路由能力，能够自动为远处的参考点和移动点进行路由转发，从而扩大了整个无线网络的网络规模，在使用较少的以太网Zigbee网关设备的情况下可以覆盖尽可能大的定位区域。
 
2、 可兼容基于测距的定位算法和无需测距的定位算法
本定位方案可能通过配置适合基于测距的定位算法和无需测距的定位算法。
 
在定位移动点数量较小、又不是太密集出现并且要求精度较高的定位应用方案中，可采用基于测距的定位算法，使用这种算法时定位参考点也可以布置的较为稀疏。在这种应用方案中，定位移动点周期性的向周围发送广播命令，周边收到的定位参考点进行回应，定位移动点收到多个参考点的回应后，按照一定算法选择几个合适的参考点然后开始与它们进行距离测试，距离测试完成后定位移动点将获得的与几个参考点的距离数据一并上报到后台定位服务软件，由定位服务软件进行移动点位置评估并在图形界面上显示。
 
在移动点数量比较大，又有可能较为密集地聚集在一起的定位应用中，比如一些人员定位系统，可采用无需测距的定位算法。在这种应用方案中，由于定位移动点数量大，分布又比较密集，所以一般也来不及进行距离测量，而这种定位系统往往对精确性要求较低，而对漏点率同要求较高，比如100个工人坐矿车同时经过矿口，你必须将他们全部检测到而不是仅能检测到95个。要实现这种定位方案，定位移动点只需要周期性广播发送包含自身ID的TAG包即可，而周边的定位参考点，则尽可能多的收集不同ID的TAG包，并将自己收集到的ID信息及听到的RSSI值一并送到后台定位服务软件，由定位服务软件根据多个定位参考点报上来的听到某个ID的TAG包的RSSI的值，评估此ID的定位移动点所处的位置即可。
 
3、 定位移动点可以休眠节能也可以不休眠节能，能够支持上传和下发数据
在本定位方案中，定位移动点可以根据供电方式的不同，配置为使能休眠和不使能休眠，在使能休眠时，可以配置休眠周期和活动周期。在市场上有的定位方案中，定位移动点只能定时的发送TAG包，最多在TAG包中携带极少的报警信息，而本定位方案中，定位移动点不带可以向主站上报较大量的传感器测量等应用数据，也能够接收从主站发送回来的响应信息、指示命令、配置命令等。定位移动点可以在完成定位距离测量的同时，完成应用数据的传输。
 
4、 定位移动点也可以具有路由转发能力
在本定位方案中，定位移动点不一定是作为ZigBee EndDevice设备，也可以是ZigBee Router设备，只要有持续电源供应而无需休眠，定位移动点也可以具有路由转发能力，在完成自身的定位距离测量的同时，自动为其它节点的数据进行路由转发。
 
5、 同时可支持基于RSSI值的距离测量和基于TOF的距离测量
在使用基于测距的定位算法时，本定位方案中定位移动点不仅支持传统的基于RSSI值的距离测量，也支持使用最新的TOF（Time Of Flight）技术进行距离测量。一般而言，当距离在10米以内时，基于RSSI的距离测量精度较高，在距离在10米以上时，基于TOF的距离测量精度较高，本方案可以据此在两种测试方法的测量结果之间进行选择；而基于RSSI值的距离测量，受人员朝向、天线方向、遮挡、干扰等因素影响较大，而TOF的测量结果则较为稳定。用TOF进行测量时，还可以进行多次以计算平均值，并且可以分别进行正向测量和反向测量，然后将结果进行综合评估，以消除双方由于晶体频率偏差引起的误差。
   
五、    本定位方案缺点分析
1、 PANID、信道、短地址等参数设定
本定位方案没有使用标准的ZigBee Pro的协议栈，无线网络的PANID不是由ZigBee协调器自动分配，而是所有节点需要提前设定；无线网络的工作信道也是需要提前设定，而不是由ZigBee协调器自动产生，其余各级节点依次加入；无线节点的短地址可以提前设定、也可以自动由唯一的IEEE 64位地址运算获得，查不是像ZigBee Pro那样逐级加入时由ZigBee协调器分配。
如果所有无线节点都需要提前配置参数，这将增加定位系统部署时的工作量，现在比较好的办法是使用多位拨码开关来决定PANID和信道号，短地址由IEEE 64位长地址经过一定运算自动获得；也可以将短地址与参考点的分布位置关联起来，使用定位参考点的横坐标和纵坐标的值组合来形成定位参考点的短地址。
定位系统无线节点的PANID、信道号、短地址等参数，也可以在设备出厂时根据现场需求提前设置好，免得在安装现场由安装工作人员部署起来麻烦。