技術紹介

Zigbee 無線ネットワークによる位置推定システム
久保田

徹 *1

Kubota Toru

園田信一郎 *2
Sonoda Shinichiro

IoT システムでは、収集するデータに位置情報を付与することでさまざまな付加価値を生み出すことが可能となる。一般的に位置情報の取得には GPS が使用されているが、屋内など GPS が受信できない場所で位置情報を取得するための方法が確立されていない状況である。
当社が保有している Zigbee 無線通信技術を活用することで、通信可能範囲内の複数端末間で通信を行い、電波強度も検出できることから、屋内測位への適用が可能であり、これらの技術を統合したシステムを構築し、位置推定への適用について検討した。
キーワード：Zigbee、位置推定、電波強度

は位置が既知のモジュールを 2 台として、位置推1. はじめに定アルゴリズムを検討した。なお、一般的な手法

本システムは、屋内での測位方法として、位置である近接方式や三点測量方式は、位置が既知のが既知の固定局が発する無線の強度から三角法に基準となるモジュールが 3 台以上必要である。

よって導出するものであるが、屋内測位とデータ

図 1 に基準モジュール 2 台での位置推定方法の通信の両方を兼ねることで、IoT システムの付加イメージを示す。A ～ F はそれぞれ Zigbee モジュー価値を向上させることができると考える。

ルを示し、A と C を位置が既にわかっている基準目標とするのは屋内での位置推定であるが、今モジュールとする。A、C は周辺にある各モジュー回は基礎的なシステム構築のため、電波を反射すルの電波強度を取得し、それぞれの位置を推定するものが少なく、かつ長距離での試験が可能な屋る。図 1（a）はモジュール B を推定する例を示す。

外（フィールド）での試験結果を述べる。

A、C はそれぞれ B からの電波強度情報をもとにB までの距離を推定し、A、C それぞれを中心と2. 位置推定アルゴリズムし、距離を半径とした円を描く（A：緑色、C：灰2.1 位置推定方法の検討色）。そして、その円の交点（赤バツ印）がモジュー

位置推定を行う上で、位置が既知の基準となるル B の位置であると推定する。図 1（b）は同様にモジュールが必要となるが、システム要件によりモジュール D の位置を推定した例である。他のモその数はなるべく少なくしたい。そこで、本節でジュールの位置推定も同じ方法で可能となる。

*1：制御システム事業部 産業システム部 製品・サービスグループ*2：株式会社 IHI 技術開発本部 アシスタントマネージャー

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調査役

A

A

B

CC

D

E

E

F

（a）モジュール B の位置推定例

BD

F（b）モジュール D の位置推定例

図1

位置推定イメージ

ここで、図 1 の円を描くために電波強度から距らない場合や、片方の円にもう一方の円が内離を求める必要がある。この電波強度－距離変換包する場合など、交点が求められないケース

式は、事前に 1 対 1 のモジュール間で距離を変えながある。
今回のフィールド試験での（1）への対応は 3.3 節

がら電波強度を取得したデータをもとに作成する。に示す。また（2）は考慮していない。
2.2

位置推定方法の課題3. 実証実験（フィールド試験）

モジュール 2 台から位置を求める方法において実証実験として、構造物のある場所において、は、以下のような課題がある。
（1）図 1 のように円の交点は 2 点できる。どちらフィールド試験を実施した。1 対 1 および複数モが正か求める必要がある。

ジュールを使用した電波強度取得試験の概要を
表 1、試験環境を図 2 に示す。

（2）モジュールの位置関係によっては、円が重な

表1

試験概要（フィールド試験）

項目

内容

使用機器

1mW モジュール、10mW モジュール

試験場所

広さ：約 200 × 約 200m
計測距離：最大 150m

試験概要

・ 1mW による 1 対 1 試験
*1*2
・ 1mW による複数台試験（ 1 台：コーディネータ 、3 台：ルータ ）・ 10mW による 1 対 1 試験・ 10mW による複数台試験（ 1 台：コーディネータ、3 台：ルータ）*1：ネットワークの中に必ず 1 台存在し、ネットワーク外部とのデータ入出力およびネットワークの管理機能を持つ。
*2：ネットワーク内に複数台存在することが可能で、データ転送機能によりデータが次々とノードを渡っていくマルチホップネットワークを実現する。
—25—

IIC REVIEW/2024/04. No.71

Zigbee モジュール（障害物よりもアンテナが高い位置に来るように設置）

図2

試験状況

3.1 1 対 1 での電波強度取得試験

た結果を得られていたが、周囲に構造物のある試験場所敷地内で、距離を変えながら電波強度フィールド試験では距離変化に対する電波強度の揺らぎが多いことがわかった。また、図 4 の 1mW取得試験を実施した。
取得データから作成した、10mW モジュールのについては、30 ～ 60m の間に、電波強度が極端に電波強度－距離相関図を図 3 に、1mW モジュール下がる箇所（ヌル・ポイント）があることがわかっの電波強度－距離相関図を図 4 に示す。

た。原因としては周囲の構造物などによる反射のフィールド試験に先立ち実施した、構造物が少影響が考えられる。
図 3 の 10mW に関しては、フィールド試験の広ないグラウンドでの基礎実験では、比較的安定し300
電波強度_平均値

電波強度 RSSI

25020015010050002040
図36080

距離 [m]

10012010mW モジュール 電波強度－距離 相関図—26—140160120

電波強度 RSSI

100

電波強度_平均値

806040200020406080

100120距離[m]図41mW モジュールの電波強度－距離 相関図

ら距離 y を求める式を式（1）に示す。

さの都合上、約 150m の距離が最大であったが、（1）100m までは電波強度が飽和した状態となり、120my = 35.31× e − 0.015x以降は上下の揺らぎが大きかった。

また、10mW のモジュールについて同様に求めた電波強度－距離変換式を式（2）に示す。
（2）

 x −1091.3 

3.2 複数モジュールでの電波強度取得試験

y = e −  187.3 モジュール 4 台を使用し、1 台をコーディネー

次に、モジュール 2 個を基準局として位置座標タ、3 台をルータとし、配置パターンを変えながを定めた。その上で位置推定用のモジュールで基ら、電波強度を取得した。

準局と通信し、その電波強度から式（1）または式（2）の変換式で距離を求め、2.1 節の方法で位置座

3.3 位置推定結果（フィールド試験）標を推定した。使用した位置推定用モジュールは2 個（名称 R1、R2）、それぞれ範囲内を移動しながフ ィ ー ル ド 試 験 で 取 得 し た 電 波 強 度 に 対 し、2.1 節の位置推定手法を適用する。

ら複数回計測した。

まず、1 対 1 の試験結果をもとに電波強度から位置推定結果の抜粋を表 2 に示す。なお 2.2 節

距離への変換式を求める。図 3、図 4 それぞれ、（1）で示した通り、位置情報が既知のモジュール

電波強度を横軸、距離を縦軸としてデータをプ

2 つを中心とした円の交点は 2 点求まるが、今回ロットし、そこに近似曲線を引き、電波強度－距は実際のモジュールの位置が既知であるので、離変換式を求めた。1mW の場合の電波強度－距離2 点のうち誤差が小さい方を採用した。

変換式を求めた例を図 5 に示す。ここで、電波強フィールド試験では、表 2 に一例を示す通り実度の揺らぎが大きくなる位置では距離に一意な対際の位置と近い推定結果が得られるケースもあっ応が取れないと判断し、プロット対象外とした。

たが、逆に大きく異なるケースもあった。全計測

1mW のモジュールを用いた場合の電波強度 x か

結果では、目標としていた測定誤差 10m 以内は—27—

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403530

距離 [m]

252015y = 35.51e −0.015x
R2 = 0.7748

1050020406080100120

電波強度 RSSI

図51mW 距離変換式（赤枠）（1）データの揺らぎやヌル・ポイントの状況の詳

3 ケースで、他は 10m を超える誤差が発生してお細を把握するため、モジュールそのものの原り、位置推定が難しいという結果となった。

理や安定性を再度確認する。

4. 今後の課題（2）電波強度の揺らぎを減らす測定方法を検討する。

フィールド試験において位置推定結果の誤差が（例：アンテナを波長 l の 1/4 の距離だけ離し大きかった原因としては、て 2 本設置し、電波強度を平均化する、など）① 電波強度と距離の関係式が適切でなかった（3）（1）（2）により安定した条件でデータを採取② 位置推定アルゴリズムが適切でなかった

し、電波強度と距離の関係式を確立する。

③ データの揺らぎやヌル・ポイントが影響した（4）位置推定アルゴリズムを見直す。

④ 周囲の障害物による反射の影響があった（例：外れ値は除外する、データ数を増やしなどが考えられる。て平均をとる、モジュールのおおよその位置

今後、Zigbee で取得した電波強度を位置推定にを事前条件として利用する、など）

使用するための課題は以下のように考える。

表2

位置推定結果と実際の位置の誤差（データ抜粋）

対象モジュール：R1モジュール

1mW

対象モジュール：R2yxy

誤差[m]

実際の位置xxyx

33.0

0.030.6

2.23.245.00.0

実際の位置

40.0

8.0

Zigbee 推定位置

17.2

11.3—

23.028—27.0

0.0

Zigbee 推定位置
y誤差
[m]

18.7

26.2

37.1

22.6

− 4.9

6.6

5. まとめ
位置測定とデータ通信を同時実施する手法として、Zigbee 無線通信技術の利用を検討した。屋内での位置測定をターゲットとしているが、今回は電波反射の少ない屋外（フィールド）で試験した。
電波強度取得アプリを作成し、障害物の少ないグラウンドで基礎実験を、構造物のある場所でフィールド試験を実施して、距離に対する電波強度データを取得した。フィールド試験では、データの揺らぎが大きく、電波強度と距離の関係式が確立できず、位置推定では目標より大きな測定誤差が生じた。
将来的には屋内でも利用できるよう、今後はソフト面・ハード面ともに改良して位置推定の精度向上を目指す。

※本論文は，園田が当社制御システム事業部に在籍していたときの成果の内容である。
IHI 技術開発本部は、本論文に関与しない。

制御システム事業部
産業システム部
製品・サービスグループ
調査役

株式会社 IHI
技術開発本部
アシスタントマネージャー

園田 信一郎久保田 徹

TEL. 050-3820-1543
FAX. 045-759-2204

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