東海大學資訊工程與科學系畢業專題成果競賽

東 海 大 學 資 訊 工 程 與 科 學 系畢 業 專 題 成 果 競 賽Zigbee 無 線 感 測 定 錨 點 (Reader) 分 布 位 置 之 模 擬 探 討專 題 實 驗 報 告 書指 導 教 授 : 石 志 雄 教 授學 生 : 963827 張 嘉 良963916 劉 俊 良963930 謝 岳 霖中 華 民 國 九 十 九 年 十 二 月 十 八 日1

目 錄目 錄 ................................................................................................................................ 2圖 目 錄 ............................................................................................................................ 3一 、 摘 要 ........................................................................................................................ 4二 、 前 言 有 文 獻 回 顧 .................................................................................................... 52.1 專 題 製 作 目 的 .................................................................................................. 52.2 擬 探 討 解 決 之 問 題 描 述 .................................................................................. 52.3 ZigBee 介 紹 與 背 景 知 識 ................................................................................ 52.4 前 人 解 決 此 問 題 之 方 法 .................................................................................. 62.5 前 人 解 決 此 問 題 之 方 法 .................................................................................. 7三 、 設 計 原 理 分 析 ........................................................................................................ 9四 、 軟 硬 體 系 統 說 明 .................................................................................................. 13五 、 團 隊 分 工 合 作 方 式 .............................................................................................. 20六 、 成 果 與 討 論 .......................................................................................................... 20七 、 結 論 ...................................................................................................................... 20八 、 參 考 文 獻 .............................................................................................................. 21九 、 附 錄 ...................................................................................................................... 239.1 主 程 式 程 式 碼 ................................................................................................ 239.2 計 算 程 式 碼 .................................................................................................... 279.3 計 算 的 程 式 碼 ( 有 Block) ...................................................................................... 302

圖 目 錄圖 1. 各 無 線 通 信 技 術 的 比 較 .................................................................................... 7圖 2. 接 收 訊 號 角 度 法 AOA ...................................................................................... 9圖 3. 接 收 訊 號 角 度 法 TOA ........................................................................................ 9圖 4. 流 程 圖 .............................................................................................................. 10圖 5. 一 維 模 擬 圖 ....................................................................................................... 10圖 6. 一 維 最 佳 化 辨 識 率 模 擬 圖 .............................................................................. 11圖 7. 同 心 圓 效 應 ...................................................................................................... 11圖 8. 格 網 點 圖 .......................................................................................................... 12圖 9. 資 料 收 集 器 運 作 方 式 ...................................................................................... 12圖 10. 理 想 狀 態 的 rssi ............................................................................................... 13圖 11. 理 想 狀 態 的 rssi 與 實 測 差 .............................................................................. 13圖 12. Matlab ............................................................................................................... 14圖 13. PC 機 房 模 擬 圖 ................................................................................................. 14圖 14. 三 reader 無 Block 未 最 佳 辨 識 率 前 ............................................................... 15圖 15. 三 reader 無 Block 最 佳 辨 識 率 ....................................................................... 15圖 16. 四 reader 無 Block 未 最 佳 辨 識 率 前 ............................................................... 16圖 17. 四 reader 無 Block 最 佳 辨 識 率 後 ........................................................................ 17圖 18. 三 reader 有 Block 未 最 佳 辨 識 率 前 .................................................................... 18圖 19. 三 reader 有 Block 最 佳 辨 識 率 後 ........................................................................ 18圖 20. 四 reader 有 Block 未 最 佳 辨 識 率 前 .................................................................... 19圖 21. 四 reader 有 Block 最 佳 辨 識 率 後 ........................................................................ 19圖 22. PC 機 房 模 擬 圖 辨 識 率 ( 無 Block) .......................................................................... 20圖 23. PC 機 房 模 擬 圖 辨 識 率 ( 有 Block) .......................................................................... 203

一 、摘 要定 位 系 統 在 現 今 廣 泛 應 用 及 無 線 技 術 的 成 熟 , 無 線 感 測 定 位 已 掀 起 熱 烈 之 討論 。 最 常 見 全 球 衛 星 定 位 系 統 (Global Positioning System, GPS) 即 是 一 個 針 對 室 外做 定 位 ,GPS 已 經 是 一 套 普 遍 應 用 的 成 熟 技 術 , 是 利 用 3 到 4 個 多 個 衛 星 來做 為 定 位 的 工 具 , 然 而 對 於 室 內 的 定 位 系 統 , 現 有 的 GPS 系 統 的 誤 差 動 輒 數 十公 尺 , 相 對 於 需 要 更 精 確 位 置 資 訊 的 環 境 來 說 根 本 不 是 一 個 可 用 的 定 位 技 術 , 並且 GPS 也 不 適 用 於 室 內 定 位 , 因 為 訊 號 會 受 到 建 築 物 遮 蔽 , 而 無 法 有 效 的 傳 輸訊 號 , 所 以 在 室 內 使 用 GPS 是 不 可 實 行 的 。 近 幾 年 來 , 感 知 網 路 (Sensor network)已 經 漸 趨 成 熟 , 室 內 定 位 系 統 再 度 地 被 提 出 來 實 現 的 可 行 性 , 因 此 , 一 些 基 於 感知 網 路 的 基 礎 上 已 經 展 開 針 對 室 內 定 位 系 統 之 研 究 , 例 如 :Smart Floor[1] 系 統 利用 壓 力 感 測 裝 置 佈 置 於 定 位 環 境 中 來 偵 測 人 員 移 動 的 狀 況 , 但 是 其 定 位 精 度 具 有相 當 的 誤 差 且 在 多 人 的 環 境 下 , 實 現 的 可 行 性 可 能 變 得 更 困 難 。因 此 , 我 們 這 次 所 研 究 的 室 內 定 位 系 統 , 在 跟 教 授 討 論 時 發 現 雖 然 全 球 衛 星 定位 系 統 已 經 漸 趨 成 熟 , 但 是 對 於 室 內 的 定 位 無 法 掌 控 , 可 能 是 因 為 遮 蔽 物 加 上 衛星 定 位 對 於 室 內 空 間 來 說 誤 差 實 在 太 大 而 無 法 達 到 準 確 定 位 的 目 的 。 所 以 我 們 聽從 教 授 的 建 議 , 決 定 使 用 電 腦 教 室 的 空 間 做 為 我 們 的 實 驗 區 域 , 而 一 般 想 要 對 室內 空 間 做 定 位 則 需 要 額 外 訂 購 附 加 硬 體 來 達 到 定 位 的 目 的 , 但 這 會 導 致 高 成 本 的消 耗 , 所 以 我 們 決 定 使 用 無 線 電 波 來 測 試 。 我 們 利 用 無 線 電 波 隨 著 遠 近 而 產 生 不同 程 度 能 量 衰 減 的 特 性 , 來 達 到 感 測 目 標 之 移 動 的 目 的 , 此 定 位 參 數 即 為 已 知 的接 收 信 號 強 度 指 標 (Received Signal Strength Indicator, RSSI ), 因 為 電 波 在 空 氣 中傳 遞 會 隨 著 傳 播 距 離 而 遞 減 , 藉 由 此 項 特 性 我 們 可 以 大 約 估 測 出 發 送 端 和 接 收 段的 距 離 , 進 而 達 到 定 位 的 目 的 。4

二 、前 言 與 文 獻 回 顧2.1 專 題 製 作 目 的本 專 題 於 在 製 作 好 的 地 圖 上 (PC 機 房 模 擬 圖 ) 找 出 最 佳 定 位 , 藉 由 電 腦 模 擬 出 的最 佳 位 置 在 與 實 際 藉 由 無 線 測 試 器 的 移 動 後 , 做 出 比 較 是 否 電 腦 模 擬 出 是 為 真 正的 能 對 應 在 該 位 置 上 。2.2 擬 探 討 解 決 之 問 題 描 述本 次 專 題 是 用 軟 體 MATLAB 去 計 算 ZigBee 最 佳 定 位 值 , 由 程 式 內 設 定 reader 的數 量 , 在 隨 機 取 各 reader 亂 數 位 置 點 , 去 計 算 出 rssi 值 , 而 取 出 最 佳 把 放 的 分 布 位置 。 此 只 是 在 PC 模 擬 出 的 最 佳 擺 放 位 置 點 , 非 實 地 去 擺 放 。 所 以 實 際 測 量 可 能與 PC 模 擬 出 有 誤 差 , 再 去 判 斷 PC 模 擬 的 最 佳 分 布 位 置 是 否 為 是 真 的 為 最 佳 值 。2.3 ZigBee 介 紹 與 背 景 知 識Zigbee[2] 是 基 於 IEEE 802.15.4 的 標 準 , 傳 輸 距 離 微 10 到 75 公 尺 , 傳 輸 速 率 依 頻 帶各 有 不 同 ,2.4GHz(26 通 道 ) 可 達 250Kbps,868MHz(1 通 道 ) 可 達 20Kbps,915Mhz(10通 道 ) 可 達 40Kbps, 除 了 省 電 之 外 , 尚 有 轉 發 的 功 能 , 而 且 自 行 判 斷 再 接 收 到 的 資 料是 否 為 原 來 已 轉 發 過 的 資 料 , 以 避 免 回 音 效 應 , 另 外 也 加 入 群 組 的 概 念 , 避 免 單 體間 相 互 間 的 干 擾 , 且 一 個 群 組 可 支 援 65K 個 節 點 , 通 訊 協 定 中 亦 有 128bit 之 加 密 保護 , 保 障 傳 輸 之 資 料 不 被 擷 取 , 同 時 支 援 多 個 網 路 拓 撲 (Topologies)( 包 括 星 型 、 樹 型以 及 網 狀 ), 亦 支 援 應 答 訊 框 (ACK), 以 確 認 資 料 封 包 被 無 錯 接 收 。ZigBee 是 一 種 短 距 離 、 架 構 簡 單 、 低 消 耗 功 率 與 低 傳 輸 速 率 之 無 線 通 訊 技 術 ,網 路 架 構 具 備 Master/Slave 屬 性 , 並 可 達 到 雙 向 通 信 功 用 。具 有 下 列 之 特 性 :(1) 省 電 :ZigBee 傳 輸 速 率 低 , 使 其 傳 輸 資 料 量 亦 少 , 所 以 訊 號 的 收 發 時 間 短 ,其 次 在 非 工 作 模 式 時 ,ZigBee 處 於 睡 眠 模 式 , 而 在 工 作 與 睡 眠 模 式 之 間 的 轉 換 時間 , 一 般 睡 眠 啟 動 時 間 只 有 15ms, 而 設 備 搜 索 時 間 為 30ms。 透 過 上 述 方 式 , 使得 ZigBee 十 分 省 電 , 電 池 則 可 支 援 ZigBee 長 達 6 個 月 到 2 年 左 右 的 使 用 時 間 。(2) 可 靠 度 高 :ZigBee 之 媒 體 存 取 層 (Medium Access Control layer,MAC) 採 用talk-when-ready 之 碰 撞 避 免 機 制 , 此 機 制 為 當 有 資 料 傳 送 需 求 時 則 立 即 傳 送 , 每個 發 送 的 資 料 封 包 都 由 接 收 方 確 認 收 到 , 並 進 行 確 認 訊 息 回 覆 , 若 沒 有 得 到 確 認訊 息 的 回 覆 就 表 示 發 生 了 碰 撞 , 將 再 傳 一 次 , 以 此 方 式 大 幅 提 高 系 統 資 訊 傳 輸 之可 靠 度 。(3) 高 度 擴 充 性 : 一 個 ZigBee 的 網 路 最 多 包 括 有 255 個 ZigBee 網 路 節 點 , 其 中5

一 個 是 Master 設 備 , 其 餘 則 是 Slave 設 備 。 若 是 透 過 Network Coordinator 則 整 體 網路 最 多 可 達 到 6 千 5 百 個 ZigBee 網 路 節 點 , 再 加 上 各 個 Network Coordinator 可 互 相連 接 , 使 整 體 ZigBee 網 路 節 點 數 目 將 十 分 可 觀 。2.4 前 人 解 決 此 問 題 之 方 法室 內 定 位 系 統 [3](Indoor Positioning System;IPS) 由 於 室 內 環 境 擺 設 複 雜 、 精 密度 要 求 甚 高 , 所 以 室 內 定 位 系 統 在 實 作 上 相 對 會 遇 到 相 當 多 的 困 難 , 包 含 訊 號 強度 擷 取 、 資 料 庫 建 置 、 定 位 演 算 法 、 如 何 正 確 取 得 來 各 自 各 個 客 戶 端 (Client) 的訊 號 資 料 、 如 何 經 由 推 估 的 方 式 而 降 低 定 位 系 統 的 建 置 成 本 以 及 收 到 相 關 訊 號 資料 後 如 何 轉 換 為 位 置 資 訊 等 幾 個 主 要 問 題 。圖 1. 各 無 線 通 信 技 術 的 比 較在 設 計 之 室 內 定 位 系 統 大 多 是 透 過 額 外 的 附 加 硬 體 來 達 到 定 位 目 的 , 這 樣 的 架構 在 做 實 際 導 入 時 , 將 會 提 高 建 置 的 成 本 。 另 外 一 種 針 對 室 內 定 位 之 一 可 行 性 方法 為 : 直 接 使 用 無 線 電 波 的 隨 著 傳 輸 距 離 而 有 不 同 程 度 能 量 衰 減 的 特 性 , 來 達 到定 位 目 的 , 此 定 位 參 數 即 為 已 知 的 接 收 信 號 強 度 指 標 (Received Signal StrengthIndicator, RSSI), 因 為 電 波 訊 號 在 空 氣 傳 輸 的 過 程 中 , 隨 著 傳 播 距 離 而 有 不 同 程度 之 能 量 衰 減 , 藉 由 此 一 傳 播 距 離 對 訊 號 能 量 衰 減 的 物 理 特 性 即 可 用 來 估 測 發 送端 與 接 收 端 之 間 的 距 離 , 進 而 達 到 定 位 的 目 的 。 截 至 目 前 為 止 , 許 多 關 於 接 收 訊號 強 度 的 定 位 研 究 多 半 基 於 現 有 的 無 線 區 域 網 路 (Wireless Local Area Network,WLAN) 架 構 來 做 討 論 與 研 究 , 但 基 於 802.11 的 標 準 所 設 計 的 定 位 裝 置 通 常 甚 為 耗電 , 對 於 例 如 資 產 管 理 等 長 期 物 品 追 蹤 , 恐 怕 不 是 一 個 最 佳 的 設 計 方 式 , 然 而 ,現 階 段 對 於 直 接 使 用 訊 號 接 收 強 度 來 做 定 位 目 的 仍 存 有 相 當 的 挑 戰 與 瓶 頸 , 這 些挑 戰 包 括 對 衰 落 通 道 (Fading channel) 的 處 理 、 電 波 折 反 射 所 造 成 的 能 量 損 耗 、 多路 徑 干 擾 … 等 問 題 , 皆 造 成 無 法 準 確 地 估 測 距 離 ; 此 外 , 根 據 現 有 文 獻 探 討 的 結論 , 基 於 訊 號 強 度 定 位 系 統 , 其 精 度 完 全 依 賴 在 接 收 端 的 個 數 , 換 句 話 說 , 接 收端 的 個 數 將 直 接 影 響 定 位 的 精 確 度 , 對 於 高 精 度 需 求 則 必 須 付 出 昂 貴 的 成 本 。6

2.5 其 他 定 位 方 式 之 介 紹蜂 巢 式 識 別 碼 (Cell Identity,CI)Cell-ID 是 現 有 定 位 方 法 中 最 簡 單 、 快 速 的 方 法 。 其 利 用 行 動 終 端 所 在 的 微 細胞 識 別 碼 做 為 定 位 基 準 , 便 可 顯 示 該 識 別 碼 所 代 表 的 區 域 , 在 加 上 某 一 行 動 終 端的 MSISDN, 即 可 得 知 該 用 戶 目 前 「 大 概 的 」 所 在 位 置 。 一 般 而 言 ,CI 的 準 確 度依 行 動 終 端 所 在 的 微 細 胞 範 圍 大 小 而 定 。 準 確 度 最 高 可 從 都 會 區 內 150 公 尺 左 右到 最 低 的 郊 區 十 數 公 里 不 等 。CI 是 目 前 唯 一 可 以 廣 泛 適 用 於 各 無 線 通 訊 系 統 的 定位 技 術 , 優 點 是 現 有 的 手 機 皆 可 適 用 , 系 統 端 亦 毋 須 進 行 重 大 更 新 , 且 定 位 回 應速 度 快 ( 僅 約 3 秒 )。 不 過 , 其 準 確 度 卻 須 依 基 地 台 涵 蓋 面 積 而 定 , 因 此 , 較 難 滿足 日 益 複 雜 的 行 動 定 位 服 務 需 求 。接 收 訊 號 角 度 法 (Arrival of Angle ,AOA)AOA(Arrival of Angle)[4] 角 度 到 達 定 位 方 式 是 根 據 信 號 到 達 的 角 度 方 向 來 測定 目 標 移 動 終 端 的 位 置 。 在 AOA(Arrival of Angle) 定 位 方 式 中 , 只 要 測 量 出 目標 移 動 終 端 距 離 兩 個 基 站 的 信 號 到 達 角 度 , 就 可 確 定 移 動 終 端 的 位 置 。 理 論 上 接收 節 點 通 過 天 線 陣 列 或 多 個 超 聲 波 接 收 發 射 節 點 信 號 的 到 達 方 向 , 計 算 接 收 節 點和 發 射 節 點 之 間 的 相 對 方 位 或 角 度 , 然 後 在 通 過 三 角 測 量 法 去 計 算 出 節 點 的 位置 。AOA(Arrival of Angle) 定 位 方 法 裡 對 於 方 向 性 天 線 的 準 確 度 有 很 重 要 的 地位 , 通 常 一 個 內 含 雙 元 件 的 天 線 陣 列 只 能 掃 瞄 120 度 角 , 所 以 要 涵 蓋 360 度 角 的話 需 要 六 個 元 件 的 天 線 陣 列 。AOA(Arrival of Angle) 定 位 技 術 的 缺 點 在 於 現 有的 無 方 向 性 天 線 並 無 法 執 行 方 位 角 的 偵 測 , 所 以 需 要 在 每 個 基 地 台 安 裝 具 有 方 向性 的 陣 列 天 線 , 所 以 成 本 會 大 幅 提 升 。到 達 時 間 定 位 (Time of Arrival,TOA)TOA (Time of Arrival) [5] 是 以 基 地 台 收 到 終 端 設 備 訊 號 的 時 間 來 量 測 , 如 圖由 三 個 以 上 的 基 地 台 (A、B、C) 接 收 到 感 測 點 (P) 所 傳 送 出 的 訊 號 , 根 據 訊號 傳 播 的 時 間 延 遲 , 來 量 測 出 使 用 者 和 基 地 台 間 的 距 離 , 進 而 利 用 演 算 法 計 算 出使 用 者 的 位 置 。TOA 的 定 位 精 確 度 高 , 但 為 了 能 確 實 測 出 信 號 傳 遞 時 延 遲 之 時間 , 因 此 終 端 設 備 要 與 所 有 的 基 地 台 之 間 訊 號 傳 輸 必 須 先 時 間 同 步 , 以 確 保 系 統的 時 間 誤 差 不 會 明 顯 影 響 到 定 位 的 精 度 。TOA 對 於 時 間 的 敏 感 度 相 當 高 , 必 須 十分 精 準 測 得 訊 號 實 際 的 傳 播 時 間 , 即 使 是 1 微 秒 的 時 間 誤 差 , 也 會 造 成 300 公尺 的 距 離 誤 差 。到 達 時 間 差 定 位 法 (Time Difference of Arrival;TDOA)TODA(Time Difference of Arrival, TDOA)[6] 技 術 的 基 本 原 理 是 利 用 雙 曲 線 的 特性 , 即 雙 曲 線 上 的 點 到 兩 焦 點 距 離 之 差 為 定 值 。TDOA 多 讀 取 器 定 位 系 統 的 定7

位 方 式 , 亦 可 分 為 兩 步 驟 ; 首 先 利 用 各 種 時 間 延 遲 估 算 (Time Delay Estimation)的 技 術 , 盡 量 精 確 測 得 兩 讀 取 器 接 收 到 的 訊 號 到 達 時 間 差 , 再 將 之 轉 換 成 距 離 ,並 代 入 雙 曲 線 的 方 程 式 中 , 形 成 一 組 聯 立 雙 曲 線 方 程 式 ; 第 二 步 則 是 利 用 有 效 且快 速 的 運 算 法 則 求 得 此 聯 立 方 程 組 的 解 , 此 解 即 為 主 動 式 標 籤 位 置 。TDOA 系統 時 間 差 的 取 得 有 兩 種 方 式 , 一 是 直 接 利 用 兩 個 讀 取 器 的 TOA 相 減 取 得 ; 二 則是 利 用 兩 讀 取 器 接 收 訊 號 相 關 性 (Correlation) 的 方 式 取 得 。 利 用 TOA 相 減 的 方 式取 得 TDOA 的 方 法 與 TOA 系 統 類 似 , 同 樣 是 取 得 主 動 式 標 籤 訊 號 傳 送 至 每 個 讀取 器 的 時 間 , 只 是 參 數 轉 換 成 距 離 之 後 代 入 的 是 雙 曲 線 方 程 式 。圖 2. 接 收 訊 號 角 度 法 AOA圖 3. 接 收 訊 號 角 度 法 TOA8

三 、設 計 原 理 分 析圖 4. 流 程 圖先 探 討 一 維 辨 識 率圖 5. 一 維 模 擬 圖9

圖 6. 一 維 最 佳 化 辨 識 率 模 擬 圖圖 7. 同 心 圓 效 應先 將 所 要 測 量 的 二 維 空 間 , 分 成 格 網 點10

圖 8. 格 網 點 圖reader 與 各 個 黑 點 做 RSSI 測 量圖 9. 資 料 收 集 器 運 作 方 式11

圖 10. 理 想 狀 態 的 rssi由 距 離 與 理 想 rssi 求 出 辨 識 率 值取 辨 識 率 最 佳 化 ( 在 限 定 區 域 裡 , 在 各 reader 的 訊 號 強 度 內 , 取 各 黑 點 訊 號強 度 平 均 最 大 值 )Reader 得 到 新 位 置 點 是 因 為 在 此 位 置 點 可 得 到 最 大 辨 識 率值 如 果 有 Block 的 話 ( 此 範 圍 無 法 放 置 reader)圖 11. 理 想 狀 態 的 rssi 與 實 測 差12

四 、軟 硬 體 系 統 說 明MATLAB 之 意 思 為 ”matrix laboratory”, 意 即 所 有 的 數 值 都 以 矩 陣 的 型 式 看待 。 利 用 矩 陣 , 許 多 資 料 可 以 更 簡 易 的 運 作 。 此 外 , 配 合 模 組 的 擴 充 能 力 ,MATLAB 不 但 具 有 整 合 數 值 分 析 、 矩 陣 計 算 及 信 號 處 理 的 功 能 , 甚 至 能 將 資 料充 份 以 繪 圖 的 型 式 表 現 , 應 用 範 圍 也 很 廣 。MATLAB 是 一 種 電 腦 語 言 , 具 有 製 作 與 執 行 程 式 的 能 力 , 它 除 具 有 上 述 性質 外 , 也 營 造 一 個 有 效 的 電 腦 程 式 使 用 環 境 , 不 但 具 有 科 學 運 算 的 平 台 , 而 且 能廣 泛 應 用 到 工 程 上 所 遭 遇 的 各 種 問 題 。 使 用 上 ,MATLAB 可 包 括 數 學 運 算 、 演算 法 、 模 式 建 立 、 數 據 分 析 及 視 覺 化 、 科 學 與 工 程 繪 圖 及 各 項 圖 形 使 用 者 介 面 等 。MATLAB 之 系 統 而 言 , 可 分 為 五 大 部 份 :1. 桌 面 工 具 及 發 展 環 境 : 其 所 包 含 的 工 具 與 功 能 可 以 教 人 如 何 使 用 函 數 及 檔案 。 這 些 工 具 中 有 些 都 是 圖 形 介 面 , 諸 如 指 令 窗 、 指 令 歷 史 窗 、 編 輯 偵 錯器 、 指 令 碼 分 析 器 及 報 告 等 等 。2. 數 學 函 數 庫 : 具 有 廣 大 的 運 算 法 , 包 括 基 本 函 數 如 加 法 、 正 弦 、 餘 弦 、 複 數運 算 等 , 而 更 複 雜 的 功 能 如 反 矩 陣 、 矩 陣 特 徵 值 、 貝 索 函 數 及 富 利 葉 轉 換等 。3. Matlab 語 言 能 力 : 高 階 矩 陣 操 作 語 言 , 配 合 流 程 指 令 、 函 數 、 資 料 結 構 、輸 出 入 、 及 程 式 寫 作 等 諸 功 能 。 程 式 可 小 可 大 , 運 用 自 如 。4. 繪 圖 能 力 : 繪 製 各 種 不 同 型 態 的 圖 形 , 很 容 易 操 作 。 可 作 兩 維 及 三 維 之 圖 形 ,物 件 立 體 化 、 動 畫 及 影 像 處 理 等 等 。5. API 擴 充 介 面 : 程 式 庫 可 寫 成 C 語 言 或 Fortran, 與 Matlab 均 可 相 通 。圖 12. Matlab13

我 們 以 PC 機 房 (ST426) 為 例圖 13. PC 機 房 模 擬 圖先 假 設 無 Block 的 障 礙 ,reader 可 放 置 在 Block 上以 下 為 模 擬 圖14

圖 14. 三 reader 無 Block 未 最 佳 辨 識 率 前圖 15. 三 reader 無 Block 最 佳 辨 識 率 後15

圖 16. 四 reader 無 Block 未 最 佳 辨 識 率 前圖 17. 四 reader 無 Block 最 佳 辨 識 率 後16

圖 18. 三 reader 有 Block 未 最 佳 辨 識 率 前圖 19. 三 reader 有 Block 最 佳 辨 識 率 後17

圖 20. 四 reader 有 Block 未 最 佳 辨 識 率 前圖 21. 四 reader 有 Block 最 佳 辨 識 率 後18

PC 辨 識 率 ( 無 block) 3 reader 4 reader起 始 點 (9,10)( 3,13)( 15,7) (9,6)( 7,12) (12,13)( 10,1)結 束 點 (3,2)( 3,12)(15,7) (3,2)( 3,11)( 12,11)(16,0)Ident_Rate_Start 7078.4 13177Ident_Rate_End 8241.9 15803Calculate_time ( 單 位 : 秒 ) 13.9989 34.5326圖 22. PC 機 房 模 擬 圖 辨 識 率 ( 無 Block)PC 辨 識 率 ( 有 block) 3 reader 4 reader起 始 點 (9,10)( 3,13)( 15,7) (9,6)( 7,12) (12,13)( 10,1)結 束 點 (5,3)( 1,13)(15,8) (0,1)( 5,9)( 14,11)(13,2)Ident_Rate_Start 3758.3 7065.6Ident_Rate_End 4420.8 8112.2Calculate_time ( 單 位 : 秒 ) 12.7563 44.1705圖 23. PC 機 房 模 擬 圖 辨 識 率 ( 有 Block)19

五 、團 隊 分 工 合 作 方 式張 嘉 良設 計 原 理 分 析 、 軟 硬 體 系 統 說 明劉 俊 良前 言 與 文 獻 回 顧 、 參 考 文 獻 、 文 書 編 排謝 岳 霖摘 要 、 結 論六 、成 果 與 討 論1. 做 出 小 範 圍 內 的 精 準 定 位 系 統 。2. 得 出 無 線 的 定 位 在 實 用 上 要 先 解 決 的 是 干 擾 物 。3. 用 無 線 Zigbee 的 特 性 ( 低 成 本 、 低 資 料 傳 輸 率 、 低 功 率 損 耗 ) 來 做 到 低 成 本 的 定位 。4. 在 範 圍 內 無 視 障 礙 , 可 有 最 佳 化 辨 識 率5. 發 現 reader 在 某 區 域 範 圍 後 , 最 佳 化 的 reader 距 離 差 會 成 為 一 種 定 值七 、結 論使 用 MATLAB 軟 體 模 擬 ZigBee 網 路 的 實 體 層 傳 輸 , 目 的 就 是 在 探 討 當 外 在 環 境改 變 時 對 於 無 線 通 訊 產 品 的 傳 輸 過 程 中 所 造 成 的 影 響 , 結 果 得 知 訊 號 雜 訊 比 對 傳輸 品 質 所 造 成 的 影 響 最 為 直 接 , 所 以 我 們 盡 量 去 降 低 外 在 環 境 的 影 響 。此 外 雖 然 rederd 可 以 涵 蓋 的 範 圍 很 大 , 但 是 實 際 操 作 中 遠 距 離 所 測 量 出 來 的 數值 會 飄 移 的 非 常 明 顯 , 所 以 我 們 在 設 定 範 圍 的 時 候 盡 量 把 他 維 持 在 一 定 的 數 值 裡面 , 避 免 所 測 量 出 來 的 值 誤 差 過 多 。而 在 目 前 所 規 畫 的 定 位 系 統 , 尚 停 留 於 小 範 圍 的 二 為 平 面 定 位 , 在 未 來 希 望 能發 展 出 更 精 良 且 準 確 的 定 位 系 統 , 甚 至 到 達 三 維 空 間 的 定 位 系 統 , 有 別 於 現 在 所使 用 的 定 位 系 統 , 且 能 廣 泛 的 使 用 於 我 們 的 日 常 生 活 中 ,Zigbee 是 個 不 錯 選 擇 ( 低成 本 、 低 資 料 傳 輸 率 、 低 功 率 損 耗 )。20

八 、參 考 文 獻[1] Robert J. Orr and Gregory D. Abowd,“The smart floor: a mechanism for naturaluser identification and tracking” , Proceedings of Conference on Human Factors inComputing Systems, The Hague,(The Hague, Netherlands ) , April 2000.[2] ZigBee Alliance, http://www.caba.org/standard/zigbee.html[3] 林 景 頎 , 室 內 定 位 品 質 分 析 之 研 究 , 國 立 成 功 大 學 電 機 工 程 學 系 碩 士 論 文 ,中 華 民 國 九 十 五 年 七 月[4] P. Prasithsangaree, P. Krishnamurthy and P. K. Chrysanthis, ”On IndoorPosition Location with Wireless LANs” ,Proceedings of the 13th IEEE InternationalSymposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communication,Vol.2,pp.720-724,2002.[5] B. H. Wellenhoff, H. Lichtenegger and J. Collins, ”Global PositioningSystem:Theory and Practice ” ,Fouth Edition Springer Verlag, 1997.[6] M. O. Sunay and J. Jekin,”Mobile Location Tracking in DS CDMA NetworksUsing Forward Link Time Difference of Arrival and Its Application to Zone-BasedBilling” ,Bell Labs, Lucent Technologies,2001.程 俊 壹 、 林 葭 華 , 非 是 線 傳 播 環 境 利 用 叢 簇 技 術 支 行 動 定 位 演 算 法 , 國 立 中 山 大學 資 訊 工 程 學 系黃 英 哲 , 智 慧 型 機 器 人 輪 椅 RFID 室 內 定 位 規 畫 , 元 智 大 學 ,2009.05Victor Torres, Jorge Becerra, Fermin Esparza, Antonio Lopez, Francisco Falcone,Analysis of Topology Considerations in Indoor ZigBee meshed Networks,Universidad Pública de Navarra,2010CHIA-PING HUANG,ZIGBEE WIRELESS NETWORK APPLICATIONRESEARCHCASE STUDY WITHIN TAIWAN UNIVERSITY CAMPUS,Department ofInformation Management, Hsing-Wu College, Taipei, Taiwan21

Y. Thomas Hou、Yi Shi、Hanif D. Sherali and Scott F. Midkiff,On EnergyProvisioning and Relay Node Placement for Wireless Sensor Networks,SeniorMember, IEEE,200522

endendendfor i = 1:size(All_Reader_Position) % 印 圓plot(All_Reader_Position_Start(i,1),All_Reader_Position_Start(i,2),'r.');hold on;endaxis equal%--------------------- 此 為 無 Block 時 執 行 --------------------------------Reader_Position_x = [All_Reader_Position(:,1); 0; Length; 0; Length]; % 加 入 空 間範 圍 資 訊 , 以 利 三 角 化Reader_Position_y = [All_Reader_Position(:,2); 0; 0; Width; Width];tri = delaunay(Reader_Position_x,Reader_Position_y);Region_Points(:,:,2) = pixelx; % X 軸 座 標Region_Points(:,:,3) = pixely; % Y 軸 座 標% Region_Points(:,:,1) = ones(Width+1,Length+1);Check_Position = 1; Cind = 1; % Check 收 斂Reader_Position_Index = 1; % 第 一 個 Reader 開 始 計 算tic; % 計 算 耗 時 -- 開 始while(sum(Check_Position(:,end)) ~= 0 || size(Check_Position(:,end),1) ~=Number_Readers || Reader_Position_Index ~= Number_Readers+1) % 判 斷 reader 有最 佳 位 置 時 即 停 止 迴 圈if (Reader_Position_Index == Number_Readers+1) % 測 第 x 個 reader 若 超 過 最 大 數量 reader 則 回 到 第 一 個 readerReader_Position_Index = 1;Cind = Cind + 1;endReader_Position = All_Reader_Position(Reader_Position_Index,:); %第 x 個 Reader 座 標Reader_Position_x = [All_Reader_Position(:,1); 0; Length; 0; Length]; % 更 新 三 角化 座 標Reader_Position_y = [All_Reader_Position(:,2); 0; 0; Width; Width];24

[Region] =Calculate_Polygon_Region(Reader_Position_Index,tri,Reader_Position_x,Reader_Position_y); % 取 該 reader 區 域Region_Points(:,:,1) = double(inpolygon(pixelx,pixely,Region(:,1),Region(:,2))); % 包含 區 域 範 圍Ident_Rate = [];indexx = 1;for j = 1:Length+1indexy = 1;for i = 1:Width+1if (Block_Area(i,j) ~= 1)Ident_Rate(indexy,indexx) =Zigbee_Calculate_Ident_Rate(All_Reader_Position,Reader_Position_Index,Length,Width,...Region_Points(i,j,2),Region_Points(i,j,3),Region_Points(:,:,1));elseIdent_Rate(indexy,indexx) = 0;endindexy = indexy + 1;endindexx = indexx + 1;end[maxIdentRate max_ind2] = max(max(Ident_Rate));[maxIdentRate max_ind1] = max(Ident_Rate(:,max_ind2));Check_Position(Reader_Position_Index,Cind) =norm([Region_Points(max_ind1,max_ind2,2),Region_Points(max_ind1,max_ind2,3)]-All_Reader_Position(Reader_Position_Index,:));All_Reader_Position(Reader_Position_Index,:) =[Region_Points(max_ind1,max_ind2,2), Region_Points(max_ind1,max_ind2,3)]Reader_Position_Index = Reader_Position_Index + 1;end25

calculate_time=toc; % 計 算 耗 時 -- 結 束%---------------------- 最 佳 化 完 後 結 果 PLOT-----------------------------Ident_Rate_End = [];[Ident_Rate_End, Reader_Str_End] =Zigbee_Calculate_Ident_Rate(All_Reader_Position,1,Length,Width);figure;plot(squarex,squarey,'k.-');hold onif isempty(block_square) == 0for i = 1:size(block_square,3)patch('Faces', fac, 'Vertices', block_square(:,:,i),'FaceVertexCData',tcolor,'FaceColor','flat', 'FaceAlpha', 0.5); hold on;endendfor k = 1:size(Reader_Str_End,3)for i = 1:Width+1for j = 1:Length+1if (Reader_Str_End(i,j,k) ~=0) & (Block_Area(i,j) ~= 1)plot(pixelx(i,j),pixely(i,j),'k.');hold onendendendendfor i = 1:size(All_Reader_Position)plot(All_Reader_Position(i,1),All_Reader_Position(i,2),'r*');hold on;plot(All_Reader_Position_Start(i,1),All_Reader_Position_Start(i,2),'r.');holdon;ARROW([All_Reader_Position_Start(i,1),All_Reader_Position_Start(i,2)],[All_Reader_Position(i,1),All_Reader_Position(i,2)],10,10,10);endaxis equalIdent_Rate_StartIdent_Rate_Endcalculate_time26

9.2 計 算 的 程 式 碼 ( 無 Block)function [Ident_Rate, Reader_Str_tmp] =Zigbee_Calculate_Ident_Rate(All_Reader_Position,Reader_Position_Index,Length,Width,NowPosition_x,NowPosition_y,Region_Points)Total_Reader = size(All_Reader_Position,1);if (nargout == 1)[Coordinate_x, Coordinate_y] = pixel_initialize(Length, Width);for k = 1:Total_Readerif (k == Reader_Position_Index)for j = 1:Length+1for i = 1:Width+1Reader_Str(i,j,k) =zigbee_infnc_mid10x10(0,norm([Coordinate_x(i,j), Coordinate_y(i,j)] -[NowPosition_x, NowPosition_y]));endendelsefor j = 1:Length+1for i = 1:Width+1Reader_Str(i,j,k) =zigbee_infnc_mid10x10(0,norm([Coordinate_x(i,j), Coordinate_y(i,j)] -[All_Reader_Position(k,1), All_Reader_Position(k,2)]));endendendendfor i = 1:size(Reader_Str,1) % 若 不 同 reader¸ 該 點 僅 一 值 , 即 reader 無 相 交 的 地 方 強度 設 為 0for j = 1:size(Reader_Str,2)if size(nonzeros(Reader_Str(i,j,:)),1)

index = 1;for i = 1:size(Reader_Str,3)-1ind = i;for j = i:size(Reader_Str,3)-1 % 兩 兩 reader 比 較for k = 1:size(Reader_Str,1)for l = 1:size(Reader_Str,2) % 兩 reader 各 點 比 較if (Reader_Str(k,l,i) ~= 0) && (Reader_Str(k,l,ind+1) ~= 0) % 兩reader 相 同 點 不 等 於 0Reader_Str_tmp(k,l,index) = abs(Reader_Str(k,l,i) -Reader_Str(k,l,ind+1)); % 相 減 取 絕 對 值elseReader_Str_tmp(k,l,index) = 0;endendendind = ind + 1; index = index + 1;endendindex = 1;for i = 1:size(Reader_Str_tmp,3)Ident_Rate(index,:) = sum(sum(Reader_Str_tmp(:,:,i))); % 各 reader 各 自 相 加 為一 值index = index + 1;endIdent_Rate = sum(Ident_Rate); % 所 有 reader 值 加 加end% ---------------------------------------------------------------------if (nargout == 2)[Coordinate_x, Coordinate_y] = pixel_initialize(Length, Width);for k = 1:Total_Readerfor j = 1:Length+1for i = 1:Width+1Reader_Str(i,j,k) =zigbee_infnc_mid10x10(0,norm([Coordinate_x(i,j), Coordinate_y(i,j)] -[All_Reader_Position(k,1), All_Reader_Position(k,2)]));end28

endendfor i = 1:size(Reader_Str,1) % % 若 不 同 reader¸ 該 點 僅 一 值 , 即 reader 無 相 交 的 地 方強 度 設 為 0for j = 1:size(Reader_Str,2)if size(nonzeros(Reader_Str(i,j,:)),1)

9.3 計 算 的 程 式 碼 ( 有 Block)function [Ident_Rate, Reader_Str_tmp] =Zigbee_Calculate_Ident_Rate(All_Reader_Position,Reader_Position_Index,Length,Width,Block_Area,NowPosition_x,NowPosition_y,Region_Points)Total_Reader = size(All_Reader_Position,1);if (nargout == 1)[Coordinate_x, Coordinate_y] = pixel_initialize(Length, Width);for k = 1:Total_Readerif (k == Reader_Position_Index)for j = 1:Length+1for i = 1:Width+1= zigbee_infncurve20(0,norm([Coordinate_x(i,j), Coordinate_y(i,j)] -[NowPosition_x, NowPosition_y]));endendelsefor j = 1:Length+1Reader_Str(i,j,k) =zigbee_infncurve20(0,norm([Coordinate_x(i,j), Coordinate_y(i,j)] -[All_Reader_Position(k,1), All_Reader_Position(k,2)]));endendendendfor i = 1:size(Reader_Str,1) for j = 1:size(Reader_Str,2)if size(nonzeros(Reader_Str(i,j,:)),1)

for l = 1:size(Reader_Str,2)if (Reader_Str(k,l,i) ~= 0) && (Reader_Str(k,l,ind+1) ~= 0)Reader_Str_tmp(k,l,index) = abs(Reader_Str(k,l,i) - Reader_Str(k,l,ind+1));elseReader_Str_tmp(k,l,index) = 0;endendendind = ind + 1; index = index + 1;endendindex = 1;for i = 1:size(Reader_Str_tmp,3)Ident_Rate(index,:) = sum(sum(Reader_Str_tmp(:,:,i)));index = index + 1;endIdent_Rate = sum(Ident_Rate);endif (nargout == 2)[Coordinate_x, Coordinate_y] = pixel_initialize(Length, Width);for k = 1:Total_Readerfor j = 1:Length+1for i = 1:Width+1if (Block_Area(i,j) ~= 1)Reader_Str(i,j,k) =zigbee_infncurve20(0,norm([Coordinate_x(i,j), Coordinate_y(i,j)] -[All_Reader_Position(k,1), All_Reader_Position(k,2)]));endendendendfor i = 1:size(Reader_Str,1)for j = 1:size(Reader_Str,2)if size(nonzeros(Reader_Str(i,j,:)),1)

endendindex = 1;for i = 1:size(Reader_Str,3)-1ind = i;for j = i:size(Reader_Str,3)-1for k = 1:size(Reader_Str,1)for l = 1:size(Reader_Str,2)if (Reader_Str(k,l,i) ~= 0) && (Reader_Str(k,l,ind+1) ~= 0)Reader_Str_tmp(k,l,index) = abs(Reader_Str(k,l,i) -Reader_Str(k,l,ind+1));elseReader_Str_tmp(k,l,index) = 0;endendendind = ind + 1; index = index + 1;endendindex = 1;for i = 1:size(Reader_Str_tmp,3)Ident_Rate(index,:) = sum(sum(Reader_Str_tmp(:,:,i)));index = index + 1;endIdent_Rate = sum(Ident_Rate);endend32