基于RSSI技術(shù)的無線空間定位系統(tǒng)設(shè)計

王雅雋

(襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院　襄陽　441021)

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基于RSSI技術(shù)的無線空間定位系統(tǒng)設(shè)計

王雅雋

(襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院襄陽441021)

摘要論文提出了利用Zigbee技術(shù)實現(xiàn)三維空間定位系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,對定位節(jié)點、參考節(jié)點、網(wǎng)關(guān)三個核心模塊進行詳細(xì)的設(shè)計。研究傳統(tǒng)修改RSSI定位原理進行定位的方法,提出在現(xiàn)有二維平面定位技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)三維空間,更好地利用了二維定位的現(xiàn)有資源。研究了參考節(jié)點模塊和定位節(jié)點模塊的設(shè)計方法。論文設(shè)計出的Zigbee三維空間定位系統(tǒng)能夠在實驗空間(38m×30m×16m)中正常工作,誤差范圍控制在11%以內(nèi),能夠較好地實現(xiàn)定位功能。

關(guān)鍵詞三維空間; 定位技術(shù); 無線通信; RSSI定位

Space for Wireless Positioning System Design Based on RSSI

WANG Yajuan

(Xiangyang Vocational and Technical College, Xiangyang441021)

AbstractIn this paper, a three-dimensional positioning system with Zigbee technology of the overall design scheme of the positioning reference nodes, gateway nodes, the design of the three core modules in detail. Study traditional modified RSSI positioning principle orientation method, is put forward on the basis of the existing two-dimensional plane positioning technology to realize 3 d space, better use of the two-dimensional localization of existing resources. To study the reference node module and the design method of the locating node module. This paper designed a Zigbee three-dimensional space positioning system can in experimental space (38m*30m*16m) in the work, within 11% error range control, can well realize positioning function.

Key Wordsthe three dimensional space, positioning technology, wireless communication, RSSI localization

Class NumberTN402

1引言

人們對定位的需求日益增大,促進了室內(nèi)無線定位技術(shù)的不斷發(fā)展。但是受復(fù)雜環(huán)境影響,以及定位精度需求等限制,比較完善的定位技術(shù)目前還無法很好地利用[1]。Zigbee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它介于射頻識別和藍(lán)牙之間,也可以用于室內(nèi)定位[2]。ZigBee被廣泛應(yīng)用在很多地方,同時和市場上的無線定位系統(tǒng)相比,它能彌補GPS和基站定位對室內(nèi)和地下環(huán)境沒有解決方案的缺陷,可以準(zhǔn)確定位地下車庫、住宅、酒店、寫字樓、礦井等環(huán)境下的物體[3]。在室內(nèi)這樣比較復(fù)雜的環(huán)境里,相對而言Zigbee技術(shù)有準(zhǔn)確度高、可靠性高、使用成本低、安全性高的優(yōu)勢[4]。在Zigbee室內(nèi)定位的研究中,利用Zigbee實現(xiàn)物體的二維空間定位已經(jīng)較為成熟,但是仍然不能滿足實際生活中的要求。實現(xiàn)三維空間的定位,才能更好地解決生產(chǎn)和服務(wù)中出現(xiàn)的問題。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示,各部分實現(xiàn)的功能和相應(yīng)的設(shè)計為:定位節(jié)點——定位節(jié)點采用Chipcon公司開發(fā)的Zigbee無線定位芯片CC2431設(shè)計,其內(nèi)部具有硬件定位引擎,能夠根據(jù)參考節(jié)點提供的位置信息和RSSI平均值計算出自身的精確坐標(biāo),并把該坐標(biāo)協(xié)同定位節(jié)點標(biāo)志號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。參考節(jié)點——參考節(jié)點采用芯片CC2430,同CC2431相比缺少定位引擎,所以不同于CC2431能夠收集RSSI及坐標(biāo)值并進行計算,只能將位置信息傳送給定位節(jié)點做處理,傳送給主機以供顯示和調(diào)配,在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)路由器的角色。另外,參考節(jié)點還可以采集外部環(huán)境的溫度或其他環(huán)境參數(shù),并發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)——網(wǎng)關(guān)采用芯片CC2430,能夠組建一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色,把各節(jié)點的位置信息及外部環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)傳給主機,又將主機的調(diào)配命令傳給系統(tǒng)。主機——主機是計算機,通過串口顯示網(wǎng)關(guān)傳來的數(shù)據(jù)。在主機上配置相關(guān)軟件,就能夠通過網(wǎng)關(guān)控制和調(diào)試系統(tǒng)的定位信息,配置節(jié)點數(shù)據(jù)等。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計

3基于RSSI定位原理的總體設(shè)計

RSSI——Received Signal Strength Indicator接收信號強度指示,是指節(jié)點接收到的無線信號強度大小[5]。RSSI技術(shù)是指基于接收信號強度指示RSSI的定位技術(shù)。具體原理是,已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度,接收節(jié)點根據(jù)接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗,利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離,再利用已有的算法計算出節(jié)點的位置[6]。實際應(yīng)用中通常是CC2431芯片接收到其他芯片的RSSI值,并把這些值匯總,結(jié)合芯片的坐標(biāo)逐個寫入到定位引擎內(nèi)進行計算,得出當(dāng)前的坐標(biāo)。

基于CC2431定位引擎能將其同各CC2430定位引擎間的RSSI值傳輸給網(wǎng)關(guān),由網(wǎng)關(guān)處理得到移動節(jié)點與定位節(jié)點之間的距離,從而轉(zhuǎn)換為空間的坐標(biāo)值。系統(tǒng)采用以1個CC2431定位引擎為定位節(jié)點,8個CC2430定位引擎為參考節(jié)點,構(gòu)成Zigbee三維空間定位系統(tǒng)最基本的硬件組成。

二維平面定位技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,有相應(yīng)的硬件開發(fā)平臺和軟開發(fā)件平臺,易于操作和監(jiān)控[7]。所以,利用多個二維平面構(gòu)建三維空間能夠利用二維空間的現(xiàn)有技術(shù)來得到三維空間定位[8]?；舅枷胧?在二維平面的基礎(chǔ)上添加一個平面,組成三維平面如圖2所示[9]。但是6個節(jié)點只能確立最基本的三維模型,定位精度相對不高。若再添加2個節(jié)點,一共8個節(jié)點6個平面,構(gòu)成最常見也最穩(wěn)定的三維空間模型,能夠提高定位精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性,如圖2所示。這樣得到的(X,Y,Z)通過各個平面上(X,Y)加權(quán)平均即可得到,見式(1):

X=(X1+X2+X3+X4)/4

Y=(Y1+Y2+Y3+Y4)/4

Z=(Z1+Z2+Z3+Z4)/4

(1)

圖2　8個定位節(jié)點的三維空間

本文正是采用的在現(xiàn)有二維平面定位技術(shù)已經(jīng)相對成熟的基礎(chǔ)上,添加2個參考節(jié)點和4個參考節(jié)點來增加平面以構(gòu)成三維空間實現(xiàn)定位的方法,并進行相應(yīng)的算法修改、軟件設(shè)計和測試,最后通過串口與PC機的聯(lián)接觀察定位結(jié)果。

4軟件設(shè)計

4.1參考節(jié)點模塊的軟件設(shè)計

參考節(jié)點(Refnode)是一種已知靜態(tài)節(jié)點,其坐標(biāo)位置(X,Y)值是固定的,并且不參與定位計算,可由CC2430或CC2431芯片實現(xiàn)。一個定位區(qū)域通常由8位參考節(jié)點組成,最少3~4個參考點。工作流程圖如圖3所示。

圖3　參考節(jié)點流程圖

網(wǎng)關(guān)芯片選擇為CC2430,參考節(jié)點是一個靜止的知道自己位置的節(jié)點。這個節(jié)點必須正確地配置在定位區(qū)域中的位置。它的任務(wù)是提供一個包含自己位置X、Y坐標(biāo)和RSSI值的信息包給定位節(jié)點。在參考節(jié)點部分共有4個輸入串ID,它們分別是RSSI請求(發(fā)送收集的RSSI值平均值給定位節(jié)點)、參考節(jié)點配置根據(jù)(協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)配置參考節(jié)點的坐標(biāo),配置后數(shù)據(jù)將寫入Flash中)、參考節(jié)點請求配置(發(fā)送參考節(jié)點自身配置信息坐標(biāo)值給協(xié)調(diào)器)、收集RSSI值(多次收集自身和定位節(jié)點之間的RSSI值)[10]。參考節(jié)點收到信息以后,根據(jù)串ID對信息進行的處理并實現(xiàn)相應(yīng)的功能。移動節(jié)點發(fā)出應(yīng)答請求,收到請求后,參考節(jié)點將對多次收集的RSSI值求平均值,并連同X、Y值一并發(fā)送給移動節(jié)點,作為移動節(jié)點位置計算的參數(shù)。

4.2定位節(jié)點模塊的軟件設(shè)計

定位節(jié)點(Blind node)是一類可移動的節(jié)點。也稱作移動節(jié)點,可在參考節(jié)點包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動。定位節(jié)點通過接受定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點的RSSI值后,經(jīng)過定位算法來計算其坐標(biāo)位置[11]。定位節(jié)點必須由CC2431芯片來實現(xiàn)。采用該核心,可以實現(xiàn)0.25m的定位分辨率和3m左右的定位精度,定位時間小于40μs。定位節(jié)點的流程圖如圖4所示。

圖4　定位節(jié)點流程圖

定位節(jié)點能夠與離自己最近的參考節(jié)點通話,收集這些節(jié)點的X、Y坐標(biāo)和RSSI值,根據(jù)這些信息和輸入?yún)?shù)(A,N)一起計算自己的位置信息。然后將適當(dāng)?shù)男畔l(fā)送給網(wǎng)關(guān),通過網(wǎng)關(guān)與計算機形成另一個直觀的系統(tǒng)[12]。

在定位節(jié)點部分涉及到5個輸入串ID:XY_RSSI請求、XY_RSSI應(yīng)答(收集RSSI平均值)、定位節(jié)點發(fā)現(xiàn)請求(強制完成一次位置的計算)、定位節(jié)點配置(完成定位節(jié)點參數(shù)配置)、定位節(jié)點請求配置(該命令由協(xié)調(diào)器發(fā)出,完成將自己的配置參數(shù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器的任務(wù))。另外,還有5個輸出串ID:XY_RSSI請求、XY_RSSI應(yīng)答、定位節(jié)點發(fā)現(xiàn)請求、定位節(jié)點配置和收集RSSI。定位節(jié)點通過接收的數(shù)據(jù)判斷串ID,通過串ID實現(xiàn)相應(yīng)的功能。其中RSSI請求0x0011命令實現(xiàn)的功能是給發(fā)送方一個應(yīng)答,應(yīng)答的內(nèi)容為信號強度RSSI值,并發(fā)送串ID0x0012表示為0x0011的應(yīng)答。如果接收的命令為0x0012(RSSI應(yīng)答),則將接收的數(shù)據(jù)整理,放入寄存器中為計算位置坐標(biāo)作參考。

5系統(tǒng)測試

1) 8個參考節(jié)點分別放置在場館內(nèi)的比賽場地的四角和觀眾席上的四角,使其構(gòu)成一個由8個參考節(jié)點作為頂點的長方體空間,經(jīng)軟尺測量得此長方體空間的大小為分別為38×30×16(m),1個定位節(jié)點在此長方體空間中移動。

2) 結(jié)合軟尺等測量工具,確定在此長方體空間中定位節(jié)點經(jīng)過的5個位置的實際坐標(biāo)值,由串口調(diào)試助手查看定位節(jié)點在這5個位置上的測得坐標(biāo)值,所得結(jié)果見表1,把這些數(shù)據(jù)分為兩組,A組為節(jié)點的實際位置坐標(biāo)數(shù)據(jù),B組為節(jié)點的測得位置坐標(biāo)數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)通過Matlab軟件處理后,可得到如圖5所示的定位結(jié)果圖。

表1　實際值與測得值

圖5　串口顯示三維定位系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)

定位節(jié)點距離各軸中心點越遠(yuǎn)——該系統(tǒng)中心點為(19,15,8)——則誤差會越來越大,定位精度降低;X軸同Y軸和Z軸相比,各個定位節(jié)點數(shù)據(jù)的誤差更小,這是因為X軸的測量范圍大(38m),Zigbee定位系統(tǒng)的測量范圍為64×64×64(m),在這個范圍中,系統(tǒng)測量范圍越大,則定位精度越高;反之,如Z軸,測量范圍只有16m,同X、Y軸相比,測量范圍小,則定位精度降低,誤差也就越大。同時,綜合分析測量值和實際值,得到各定位節(jié)點同中心點(19,15,8)的距離同誤差(實際坐標(biāo)點同測得坐標(biāo)點之間距離)之百分比的關(guān)系,見表2。由表2可以得出,定位節(jié)點離空間中心越遠(yuǎn),誤差會增大。在該系統(tǒng)中(38m×30m×16m的空間),誤差范圍控制在11%以內(nèi)。

表2　定位點距離空間中心點的誤差

6結(jié)語

在Zigbee室內(nèi)定位的研究中,利用Zigbee實現(xiàn)物體的二維空間定位已經(jīng)較為成熟,但是仍然不能滿足實際生活中的要求,實現(xiàn)三維空間的定位才能更好地解決生產(chǎn)和服務(wù)中出現(xiàn)的問題。本文研究彌補Zigbee定位領(lǐng)域中這一遺憾,可以為以后深入的研究提供很好的基礎(chǔ)。

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《計算機與數(shù)字工程》編輯部

中圖分類號TN402

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.01.016

作者簡介:王雅雋,女,講師,研究方向:計算機應(yīng)用,物聯(lián)網(wǎng)。

收稿日期:2015年7月5日,修回日期:2015年8月25日