基于RSSI的室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)研究

申曉龍+申曉鳳

摘 要：由于低功耗藍(lán)牙技術(shù)具有極低的運(yùn)行功耗，因此基于低功耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)得到了廣大學(xué)者的關(guān)注。為了解決基于接收信號強(qiáng)度指示法定位誤差較大的問題，文中對低功耗藍(lán)牙定位技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種優(yōu)化的基于RSSI測距定位算法。該算法不同于傳統(tǒng)的質(zhì)心定位算法之處是加入了動態(tài)損耗因子校準(zhǔn)模型。該算法首先動態(tài)獲取不同時(shí)間段內(nèi)的路徑損耗因子，然后在定位階段通過判斷系統(tǒng)目前所處的時(shí)間段來動態(tài)加載不同的路徑損耗因子。通過時(shí)間段的不同動態(tài)使用不同的損耗因子參與定位計(jì)算更符合實(shí)際情況，使測距定位更加準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)表明，該方案與傳統(tǒng)的RSSI定位方案相比，在定位精度方面得到了明顯提高。

關(guān)鍵詞：損耗因子；低功耗藍(lán)牙技術(shù)；質(zhì)心定位算法；RSSI；節(jié)點(diǎn)定位

中圖分類號：TP39；TN911.22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-03

0 引 言

近年來，隨著人們對位置服務(wù)需求的增長，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟以及低功耗藍(lán)牙技術(shù)的問世，使得基于低功耗藍(lán)牙接收信號強(qiáng)度指示的室內(nèi)定位技術(shù)成為了廣大學(xué)者的研究熱點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊[1]。

目前藍(lán)牙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有兩種定位方式，即基于測距的定位技術(shù)（Range-Base）和距離無關(guān)的定位技術(shù)（Range-Free）[2，3]。其中無需進(jìn)行測距的定位算法主要有質(zhì)心算法、DV-Hop算法、Amorphous定位算法和APIT算法等[4]。這些定位算法無需進(jìn)行實(shí)時(shí)的距離測算，只是用來粗略估算未知節(jié)點(diǎn)的位置，因此定位精度并不高。而基于距離的定位算法主要有三邊定位法、TOA、TDOA和接收信號強(qiáng)度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）指示法。其中基于信號傳播時(shí)間和時(shí)間差法對硬件要求較高[5-7]，而基于RSSI的定位算法對硬件卻沒有太高要求，只需發(fā)射端發(fā)送信號，接收端利用接收到的信號強(qiáng)度值，通過濾波去噪處理后，代入信號傳播模型就可推導(dǎo)出接收端與發(fā)射端的距離，實(shí)現(xiàn)較簡單。因此通常使用基于RSSI的指示法進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)定位。

但是目前基于RSSI的定位算法在測量誤差和定位精度上還存在很多問題，這主要是由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，人員流動，以及各種障礙物的遮擋造成信號在傳播過程中形成的多徑、衍射現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了定位精度[8-11]。

針對以上問題，本文對信號傳播模型進(jìn)行了研究，提出了一種改進(jìn)的路徑損耗因子計(jì)算法，然后結(jié)合三邊測量法和質(zhì)心法對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了定位。

1 定位算法模型

1.1 信號衰減模型

藍(lán)牙無線信號在空中傳播時(shí)，通常都會隨著傳輸距離的增加而信號強(qiáng)度逐漸減弱[12]。大量實(shí)驗(yàn)表明，藍(lán)牙信號強(qiáng)度值大小與距離之間滿足對數(shù)-常態(tài)分布經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，表達(dá)式如下：

（1）

其中，RSSI（d）代表傳輸距離為d時(shí)，接收端接收到的信號強(qiáng)度值；A為一固定值；n為路徑損耗因子，由公式（1）可得：

（2）

在得到距離信號傳播模型后，還不能直接將其用于測距運(yùn)算。從公式（2）中可以看出，利用該公式進(jìn)行距離計(jì)算時(shí)，影響測距的準(zhǔn)確性因素除了依賴于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的信號強(qiáng)度值是否準(zhǔn)確外，還依賴于路徑損耗因子n。對于路徑損耗因子的獲取，一種做法就是通過以往的經(jīng)驗(yàn)，選取一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。這樣做比較簡單，但通常會帶來很大的誤差。即使在相同環(huán)境下，路徑損耗值也不是固定不變的。

1.2 路徑損耗因子分析

為了研究不同的損耗因子對RSSI-d關(guān)系式的影響，本文首先假設(shè)固定參數(shù)A為45，則由公式（2）可得不同損耗因子的RSSI-d關(guān)系式。路徑損耗因子分析如圖1所示。

從圖1中可以看出，即使損耗因子的變化幅度不大，但還會直接影響RSSI-d關(guān)系圖形。且隨著距離的增加，對接收的信號強(qiáng)度影響會逐漸增大，此時(shí)若目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到某一信號強(qiáng)度值后，可根據(jù)這幾個(gè)不同的損耗因子進(jìn)行距離計(jì)算，但得出的距離相差很大，因此應(yīng)該合理選取損耗因子n，以使誤差降到最小。而為了使定位誤差降低，可以多次計(jì)算路徑損耗因子，然后求其均值。損耗因子計(jì)算方法見式（3）：

（3）

其中，k為高度相似環(huán)境中的未知節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，i為第i個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，dij代表第i個(gè)參考節(jié)點(diǎn)與第j個(gè)未知節(jié)點(diǎn)之間的距離。

1.3 質(zhì)心定位算法

由Nirupama Bulusu 等人提出的質(zhì)心定位算法是一種基于連接性的定位算法，無需距離信息就可進(jìn)行簡單的定位，實(shí)現(xiàn)比較簡單[13]。算法原理：信標(biāo)點(diǎn)周期性的向四周發(fā)射自己的位置信息和可唯一標(biāo)識自身的標(biāo)識符。被定位節(jié)點(diǎn)不斷搜索附近不同的信標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)收到不同的信標(biāo)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到某一閾值K后，就通過K個(gè)錨節(jié)點(diǎn)確定自身的位置。假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為 （x， y），這K個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（x1， y1），（x2， y2），…，（xk， yk），假設(shè)K=3，則利用質(zhì)心算法可得未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為：

（4）

通過公式（4）可知，知道三個(gè)已知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)就可對一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位處理。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，但誤差較大。原因在于這種方法并未考慮未知節(jié)點(diǎn)處周圍區(qū)域的RSSI值真實(shí)分布情況[14-16]，實(shí)際上每個(gè)頂點(diǎn)信息對定位精度帶來的影響未必相同。即未知節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的信號在三個(gè)已知節(jié)點(diǎn)處形成的信號強(qiáng)度值未必相同，如果只是簡單的對三個(gè)已知節(jié)點(diǎn)作平均處理，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的信號在各已知節(jié)點(diǎn)處形成的信號強(qiáng)度值方差相差很大時(shí)，就會導(dǎo)致較大的定位誤差[17，18]。

2 改進(jìn)的定位算法模型

2.1 改進(jìn)的路徑損耗因子處理法

由上述描述可知，損耗因子對測距的影響程度隨著距離的增加其影響程度會越來越大，因此選擇合適的損耗因子至關(guān)重要。而由于實(shí)際的室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變，損耗因子會根據(jù)不同的環(huán)境動態(tài)變化，即使在相同的環(huán)境中，在不同的時(shí)間段內(nèi)，也有可能因?yàn)槿藛T流動的較大差異，造成損耗因子在不同時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)出很大波動性。為了提高基于RSSI的室內(nèi)測距定位精度，損耗因子的選取不能僅憑經(jīng)驗(yàn)，還需要在同一環(huán)境中對損耗因子-時(shí)間關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)分析。endprint

具體過程為：首先需要對信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號連續(xù)采樣，采樣時(shí)間間隔為5 s，采樣距離設(shè)為2 m，采樣器對同一藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在同一地點(diǎn)不斷進(jìn)行信號采樣分析，每一整天為一次完整的采樣，經(jīng)過多次完整的實(shí)驗(yàn)后，對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)由于受不同時(shí)間段內(nèi)室內(nèi)人員流動差異性的影響，其信號衰減因子并不嚴(yán)格相同，而且隨著時(shí)間的變化出現(xiàn)了一定波動。其中在8∶00～10∶00，11∶00～12∶00時(shí)間段變化比較明顯，而這也符合該時(shí)間段內(nèi)宿舍大廳人員流動性的規(guī)律。此時(shí)，若再使用一成不變的損耗因子就會造成一定的誤差。為了解決這一問題，本文提出了動態(tài)變化的實(shí)時(shí)路徑損耗因子算法。

獲得損耗因子動態(tài)變化曲線圖后，分析其變化趨勢。根據(jù)時(shí)間間隔把路徑損耗因子變化圖分成多個(gè)小段，再把每個(gè)小時(shí)間段開始時(shí)的損耗因子和該時(shí)間段結(jié)束時(shí)的損耗因子做均值處理，以該均值代表該時(shí)間段內(nèi)的損耗因子并參與計(jì)算。

2.2 基于RSSI的質(zhì)心定位算法

針對傳統(tǒng)質(zhì)心定位法的不足，現(xiàn)把RSSI數(shù)據(jù)考慮進(jìn)去，把基于測距的定位技術(shù)與無需測距的定位技術(shù)相結(jié)合。具體過程為：假設(shè)三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為O1，O2和O3，未知節(jié)點(diǎn)收到這三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)RSSI值后，通過公式（2）可求得三個(gè)已知信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離。假設(shè)分別為d1，d2，d3，以O(shè)1，O2和O3為圓心，d1，d2和d3為半徑畫圓，交點(diǎn)即為未知節(jié)點(diǎn)的位置，其關(guān)系式見式（5）：

（5）

理想情況下，根據(jù)公式（5）即可求得未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，但實(shí)際上，由于環(huán)境的復(fù)雜性和人為因素影響的存在，上式求得的距離d1，d2和d3并不能真實(shí)的反映未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的真實(shí)距離。因此通常公式（5）并不會相交于一點(diǎn)，而是三個(gè)圓兩兩相交形成一個(gè)重疊區(qū)域。三邊測量法如圖3所示。

最后利用公式（4）即可求得未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

3 算法流程

由上述對改進(jìn)的質(zhì)心定位算法的描述可知，該算法的基本流程可分為兩部分：首先要確定未知節(jié)點(diǎn)在理想情況下的粗略位置區(qū)域，然后再對該區(qū)域進(jìn)行二次劃分，實(shí)現(xiàn)過程如下所示：

（1）信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性的向四周發(fā)射位置信息和能唯一標(biāo)示自身的標(biāo)示符信息。

（2）被定位節(jié)點(diǎn)接收并記錄同一信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)RSSI值，當(dāng)接收到的RSSI值個(gè)數(shù)達(dá)到某一閾值后，準(zhǔn)備掃描接收下一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)對接收到的RSSI數(shù)據(jù)進(jìn)行平均濾波處理，剔除那些由脈沖干擾造成的極大值和極小值，記錄均值濾波處理后的RSSI值數(shù)據(jù)，然后根據(jù)公式（2）推導(dǎo)出距離 （i為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)）。

（3）被定位節(jié)點(diǎn)不斷掃描周圍的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量大于3后則停止掃描，利用公式（6）求M，N，K三點(diǎn)的坐標(biāo)。

（4）獲得M，N，K三點(diǎn)的坐標(biāo)后，通過質(zhì)心定位算法，利用公式（4）即可求得未知節(jié)點(diǎn)的最終位置。

4 實(shí)驗(yàn)與仿真

為了驗(yàn)證本文所提出的定位算法的可行性，本文使用Matlab進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)仿真，并以實(shí)驗(yàn)室大廳為實(shí)際測試地點(diǎn)，范圍為9.5 m×13.5 m。然后在此區(qū)域內(nèi)均勻部署25個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，讓終端待定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)置于其中，在此區(qū)域的不同位置處來測試系統(tǒng)的定位精度。

為了驗(yàn)證本文提出的動態(tài)損耗因子模型算法的有效性，本文首先對基于動態(tài)損耗因子的非自由傳播模型和常規(guī)的非自由傳播模型進(jìn)行測距對比試驗(yàn)。在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都對兩者進(jìn)行對比，在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)采集60次樣本數(shù)據(jù)，然后以這60次實(shí)驗(yàn)的均值誤差代表該時(shí)間點(diǎn)的定位誤差。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，基于動態(tài)損耗因子的對數(shù)-常態(tài)分布經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂捎行岣卟蓸拥臏?zhǔn)確性。該動態(tài)模型能夠根據(jù)一天當(dāng)中人員流動的分布情況，動態(tài)加載不同的損耗因子參與計(jì)算。而固定損耗因子法則不能體現(xiàn)出這一動態(tài)變化的情況，由于在8∶00～10∶00，11∶00～12∶00時(shí)間段內(nèi)人員流動的劇烈干擾，會產(chǎn)生較大的誤差。

本文對結(jié)合了動態(tài)損耗因子法的質(zhì)心算法與傳統(tǒng)質(zhì)心法進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，結(jié)合了動態(tài)損耗因子的改進(jìn)質(zhì)心算法能夠很好地契合真實(shí)的實(shí)際位置。兩種算法的誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，總體上改進(jìn)的質(zhì)心定位算法要優(yōu)于傳統(tǒng)的質(zhì)心定位算法。相比傳統(tǒng)的質(zhì)心定位算法，本文提出的改進(jìn)的質(zhì)心定位算法使定位精度約提高了18%。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于RSSI的室內(nèi)定位技術(shù)，該技術(shù)使用多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向四周不間斷的發(fā)射信號，終端設(shè)備首先掃描獲取信號強(qiáng)度值最大的三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，然后對信號進(jìn)行濾波處理。最后使用基于動態(tài)損耗因子的質(zhì)心定位算法對目標(biāo)進(jìn)行定位顯示。實(shí)驗(yàn)表明改進(jìn)的定位算法模型能夠有效消除環(huán)境內(nèi)因損耗因子的不斷變化對定位造成的影響，更加符合實(shí)際情況。因此本系統(tǒng)提出的基于RSSI的動態(tài)損耗因子模型具有廣泛的應(yīng)用場景。

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