ZigBee信号在无限感知系统位置中的应用

孙 遒

(黑龙江科技大学信息网络中心，黑龙江 哈尔滨 150022)

0 引言

ZigBee 信号作为常见的无线通信媒介，已被科研人员熟知，如居室和办公室都可以应用。以无接触的方式复用ZigBee 信号，来感知人或环境的情境信息已成为一个新兴而极具潜力的研究方向，催生了一系列智能感知应用，从小尺度的呼吸检测、手指跟踪、键盘输入，到大尺度的跌倒检测、行为识别、行走轨迹追踪等。

相比于基于可穿戴设备的感知方式，ZigBee 无接触感知无需被感知目标携带任何设备，具有自然、非侵扰的优势。ZigBee 无接触感知的基本原理是：ZigBee 发送端发射无线电磁波信号，该信号受环境中静态和动态目标的反射、衍射、散射等物理现象的影响，通过多条路径传播到ZigBee 接收端。如果能建立接收信号与感知目标活动状态之间的映射关系，那么就能用接收到的ZigBee信号反演出目标的活动状态。

1 基于菲涅尔区模型的无线感知

2016 年，张大庆等学者将菲涅尔区模型引入到ZigBee 无接触感知领域，从几何空间的角度建立了ZigBee 信道状态信息的波动模式与被感知目标相对于收发设备的位置及其运动轨迹之间的数学关系，为理解ZigBee 无接触感知系统中的位置依赖性问题奠定了理论基础。

1.1 基于菲涅尔区的衍射模型

假设空间中位置物体到直射路径（LoS）的距离为，信号经过P 点的路径长度与路径长度的差为：

那么，两条路径到达接收端信号的相位差为：

所以，物体到达前沿和后沿接收端的表达式为：

因此，物体在两端产生的衍射增益为：

根据式⑸，模拟直径为30cm的圆形物体穿越第一菲涅尔区的过程。假设收发设备相距3m，则第一菲涅尔区半径为18cm，根据模型计算获得的理论波形如图1所示。

图1 菲涅尔区信号叠加示意图

1.2 基于菲涅尔区的反射模型

当物体位于第一菲涅尔区以外时，反射现象占主导地位。此时，物体不会遮挡直射路径，到达接收端的能量是物体反射信号和直射信号叠加的效果。ZigBee 接收端得到的信道状态信息刻画了经过所有路径的信号线性叠加的结果，这些路径包括经由LoS等不变的静态路径和由目标移动引起的会发生变化的动态路径。如果静态路径和动态路径的信号合成矢量分别被表示为H（静态信号矢量）和H（动态信号矢量），那么接收信号的振幅可表示为：

其中，是静态信号矢量和动态信号矢量间的相位差，也被称为菲涅尔相位。

1.3 模型验证

通过实验验证菲涅尔区衍射和反射模型。使用滑轨分别控制铁罐和人体模型的移动，从菲涅尔以外移动直至穿越第一菲涅尔区，验证理论公式计算的接收信号和实际的物体移动接收到的信号的匹配程度。放置一对ZigBee收发设备，如图2所示，天线具有高度相同，相互距离2m，ZigBee信号的中心频率为5.24GHz，信号的波长为5.8cm。铁罐直径为17cm，人体模型的胸腔厚度为26cm，将铁罐/人体模型放置于滑轨上，滑轨的速度设置为16cm/s。

图2 模拟验证实验场景

如图3所示，如果环境中仅有一个被感知目标，当它活动起来穿越第一菲涅尔区时，动态路径信号呈类似正弦“sina”波形，其波峰波谷对应物体穿越菲涅尔区边界。物体到达第二菲涅尔区边界时，信号的波峰对应目标穿越奇数菲涅尔区边界的位置，信号的波谷对应目标穿越偶数菲涅尔区边界的位置，形成类似“W”状的波形模式。由于不同尺度大小的活动因幅度差异而导致穿越菲涅尔区的数量有明显区别，下面将利用菲涅尔区模型分析小尺度活动的位置问题。

图3 菲涅尔区模型的运动轨迹与接收信号波动模式之间的关系

2 小尺度活动的位置依赖问题

像呼吸、敲击键盘、嘴部动作等小尺度活动，其活动幅度往往只有毫米级或厘米级，无法穿越一个完整的菲涅尔区，使得接收信号的波形只是完整周期信号波形中的一个片段，该信号片段的模式与被感知目标所在的菲涅尔区的位置相关。

以微小的手指活动为例，图4 给出了四种典型的信号片段波动模式与其对应的小尺度活动位置的关系。以位置1 和位置2 为例，当手指从偶数菲涅尔区中间（位置1）开始向外侧菲涅尔区运动时，对应的信号片段（片段1）位于周期波形的单调下降区域，信号波动较大；而当手指轻微地移动到接近偶数菲涅尔区的边界（位置2）时，对应的信号片段（片段2）位于周期信号的波谷处，信号波动最小。总结归纳，小尺度活动的位置依赖性问题体现在存在感知盲区、对应多种多样的信号波动模式两方面。而小尺度活动所在的菲涅尔区的位置对信号波动模式起决定作用。

图4 小尺度活动的位置依赖问题

3 典型案例

实验验证：为了验证上述分析的正确性，利用了两台配置有Intel5200 网卡的技嘉MiniPC 分别作为ZigBee 信号的发射设备和接收设备，如图5 所示。其中，发射设备连接一根全向发射天线，接收设备连接两根全向接收天线，两根天线之间的间距为全波长。收发设备均安装了哈尔滨工业大学开发的Tool 网卡驱动用来从网卡中提取信息。实验中采集在5.2GHz频段，使用40MHz 的带宽，采样率设为200Hz。手指在图所示的两个位置分别进行“开/关”手势，接收信号如图6所示，实验结果表明，相同手指动作在不同位置对应的接收信号不一致，微小的位置变换都会导致这种不一致性。

图5 手指活动实验场景及位置振幅相位关系

图6 “开/关”手指在位置1和2的接收信号

4 结束语

位置依赖性问题既是收发分离的无线非接触感知系统的共性问题，也是无线非接触感知领域尚未很好解决的问题。利用菲涅尔区感知理论可以很好地解释和深入理解位置依赖性问题，并为ZigBee 等射频信号无线感知系统提供普适的理论基础，但基于菲涅尔区模型有效解决无线感知系统仍是未来普适计算领域挑战性的问题。