基于RSSI測(cè)距的室內(nèi)環(huán)境定位技術(shù)

李偉+蘭萍+李萬(wàn)民

摘要：該文為了提高室內(nèi)定位的精準(zhǔn)度，主要研究分析了RSSI定位測(cè)距方法，利用ZigBee模塊進(jìn)行RSSI測(cè)距定位系統(tǒng)的研究，運(yùn)用測(cè)距模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了基于RSSI測(cè)距的室內(nèi)環(huán)境定位方案。

關(guān)鍵詞：ZigBee；室內(nèi)；RSSI測(cè)距

中圖分類(lèi)號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）29-0233-02

1 概述

隨著無(wú)線通信技術(shù)不斷進(jìn)步提高，室內(nèi)環(huán)境定位技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)。室內(nèi)環(huán)境定位技術(shù)基于小范圍的定位網(wǎng)絡(luò)，定位方法有：三角測(cè)量、最大似然估計(jì)和RSSI測(cè)距等方法。本文對(duì)RSSI測(cè)距進(jìn)行了研究。并以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)RSSI的測(cè)距模型進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證理論模型和實(shí)際測(cè)得的結(jié)果相差平均值是1.37m，在一定的容錯(cuò)范圍內(nèi)本文是可以為無(wú)線局域網(wǎng)中定位算法的研究提供指導(dǎo)的。

2 RSSI測(cè)距定位算法

在室內(nèi)環(huán)境中，設(shè)置n個(gè)固定節(jié)點(diǎn)（固定節(jié)點(diǎn)位置已知，n大于等于2），定位節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)。定位節(jié)點(diǎn)在一個(gè)很小的周期時(shí)間T內(nèi)，周期性的向固定節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，對(duì)固定節(jié)點(diǎn)收到的所有數(shù)據(jù)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的RSSI值求平均值，根據(jù)得到的RSSI平均值通過(guò)RSSI測(cè)距模型求出此固定節(jié)點(diǎn)到定位節(jié)點(diǎn)的距離d。在這個(gè)周期時(shí)間內(nèi)對(duì)n個(gè)固定節(jié)點(diǎn)處理方式相同，計(jì)算處理后可得n個(gè)固定節(jié)點(diǎn)到定位節(jié)點(diǎn)的距離d值，根據(jù)坐標(biāo)距離公式可得如下關(guān)系式：，其中，（x，y）為定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，是第n個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，是定位節(jié)點(diǎn)到第n個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的距離。根據(jù)此關(guān)系式可以建立n個(gè)固定節(jié)點(diǎn)與定位節(jié)點(diǎn)距離方程，通過(guò)數(shù)學(xué)方法處理可解得定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，達(dá)到定位目的。每個(gè)周期時(shí)間處理方式同第一個(gè)周期，這樣使定位節(jié)點(diǎn)隨著位置移動(dòng)變化而進(jìn)行定位更新。

3 RSSI測(cè)距模型建立

RSSI是信號(hào)強(qiáng)度接受端接收到的信號(hào)強(qiáng)度，直接反映出信號(hào)的強(qiáng)弱。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線信號(hào)發(fā)射裝置的信號(hào)發(fā)設(shè)功率是固定的，但信號(hào)接收裝置得到的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著與發(fā)射裝置的距離增加而減弱，根據(jù)這一特點(diǎn)，我們可以初步研究信號(hào)強(qiáng)度變化（RSSI值）與信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)近的變化。如下圖1為某封閉區(qū)域?qū)嶒?yàn)統(tǒng)計(jì)所得出的數(shù)據(jù)，可以看出，在距離比較近（0 m-4m）的情況下，RSSI測(cè)量值隨距離的波動(dòng)較大，4m后波動(dòng)比較穩(wěn)定，整體圖形的大致規(guī)律為：RSSI測(cè)量值隨著距離的增加而變小。

對(duì)圖1中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析我們可以初步使用下面這個(gè)RSSI測(cè)距模型：

上式模型中，表示RSSI值，即距離為時(shí)接收單元測(cè)量得到的信號(hào)強(qiáng)度。表示距離為參考距離時(shí)接收節(jié)點(diǎn)測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度。是一個(gè)參考值，據(jù)環(huán)境的情況而定。是信號(hào)損耗指數(shù)，實(shí)際運(yùn)用中，由環(huán)境中測(cè)量得到，障礙物越多，n值越大，從而接收到的信號(hào)強(qiáng)度損耗會(huì)隨著距離的增加而變得越來(lái)越多。為距離估計(jì)誤差，此變量接近于0。是一個(gè)高斯隨機(jī)變量，它表示一定距離時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度微弱的變化量，此變量接近于0。

實(shí)際運(yùn)用中，此模型過(guò)于復(fù)雜，因此對(duì)模型簡(jiǎn)化，取1m時(shí)，求得參考距離1m時(shí)接收節(jié)點(diǎn)測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度值為K，并且各微小元素忽略不計(jì)，則簡(jiǎn)化模型如下：

在運(yùn)用此模型進(jìn)行定位時(shí)，不同環(huán)境下k、n變化較大，需要重新確定k和n的值，并且，由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜多變，所以定位誤差較大，定位效果極有可能達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果。

4 定位實(shí)驗(yàn)

對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域建立平面直角坐標(biāo)系并布置16個(gè)固定節(jié)點(diǎn)，每個(gè)固定節(jié)點(diǎn)分別放一個(gè)zigbee終端模塊用于接受并采集信號(hào)強(qiáng)弱的數(shù)據(jù)。

通過(guò)初實(shí)驗(yàn)確定k、n值，得出固定節(jié)點(diǎn)與定位節(jié)點(diǎn)的距離和RSSI值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。通過(guò)誤差分析實(shí)驗(yàn)找到定位誤差。

4.1 初實(shí)驗(yàn)過(guò)程及記錄

固定節(jié)點(diǎn)工作正常后，將定位節(jié)點(diǎn)隨機(jī)放入實(shí)驗(yàn)區(qū)域某一位置，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，對(duì)固定節(jié)點(diǎn)分別通過(guò)移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)測(cè)得兩組f（d）（RSSI值）和d值，則有方程組 ，由此可解出一組k和n值，對(duì)16個(gè)固定節(jié)點(diǎn)分別如此操作可以測(cè)得16組k和n的值，圖2、圖3分別為16個(gè)固定節(jié)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)建立方程組求得的k值、n值。由計(jì)算可以得到k和n的平均值分別為-42.8、1.9，則可以確定環(huán)境中RSSI值和固定節(jié)點(diǎn)與定位節(jié)點(diǎn)的距離之間的關(guān)系式則為：

4.2 誤差分析實(shí)驗(yàn)

由初實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，本文用RSSI值和固定節(jié)點(diǎn)與定位節(jié)點(diǎn)的距離之間的關(guān)系確立了數(shù)學(xué)關(guān)系式。在這個(gè)關(guān)系式的基礎(chǔ)上，用誤差分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)定位節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置與定位結(jié)果顯示位置對(duì)比，若誤差較小，則說(shuō)明RSSI測(cè)距定位在室內(nèi)環(huán)境中可行。反之，則不可行。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，得到定位節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置和定位顯示結(jié)果位置，試驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。從下表1中可以看出實(shí)驗(yàn)誤差大致控制在0m到2.37m，平均誤差為1.37m。（誤差=，、分別為定位節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置的橫縱坐標(biāo)，、分別為定位顯示結(jié)果位置橫縱坐標(biāo)）。

4.3 實(shí)驗(yàn)分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)及結(jié)果可以看出，RSSI測(cè)距定位技術(shù)的誤差不可避免，但平均誤差較小，為1.37m。在室內(nèi)定位應(yīng)用中，此種定位方案可行。

該實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)為：受環(huán)境因素影響較大，儀器精準(zhǔn)度不夠。該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)為：實(shí)驗(yàn)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，所需成本低、耗能低，且誤差在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)室內(nèi)環(huán)境定位算法進(jìn)行了研究，在選取測(cè)距方法時(shí)，采用了RSSI測(cè)距并建立了數(shù)學(xué)模型。以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在區(qū)域面積較小的情況下定位平均誤差為1.37m。這種定位方法對(duì)大多數(shù)室內(nèi)環(huán)境的定位適用，給室內(nèi)定位技術(shù)提供了一種很好的方案。

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