基于Zigbee及RSSI的養(yǎng)老院室內(nèi)定位系統(tǒng)的開發(fā)

張鳳英

摘要 我國人口老齡化狀態(tài)日益嚴(yán)重，未來養(yǎng)老院養(yǎng)老勢必成為主流。本文針對養(yǎng)老院場地較大，老人發(fā)生安全問題時，人員無法及時定位救助的問題，設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee技術(shù)的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用TI公司的CC2530芯片作為系統(tǒng)核心，基于Z-STACK協(xié)議棧，使用IAR軟件平臺開發(fā)。經(jīng)實(shí)際測試該定位系統(tǒng)易于操作、精度較高，是一種適應(yīng)性較強(qiáng)的定位系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】Zigbee 室內(nèi)定位CC2530 RSSI

1 引言

近年來，隨著生活水平的日益提高及醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展65歲以上的老齡化人口越來越多，養(yǎng)老方式成為社會研究的重要課題，這其中養(yǎng)老院養(yǎng)老成為越來越多老齡人口選擇的養(yǎng)老方式，老年人隨著年齡增長慢慢會得的老年病，典型的阿茲海默癥，失智癥，在老年群體越來越嚴(yán)重。所以對于在養(yǎng)老院養(yǎng)老的老齡人口進(jìn)行及時定位救助非常有必要。ZigBee技術(shù)是一種易于施、能耗低、復(fù)雜度低、花費(fèi)低的無線通信技術(shù)。基于ZigBee的定位方式所采納無線射頻信號能夠進(jìn)行較為健壯的傳輸，是一種較為穩(wěn)定的系統(tǒng)。再者ZigBee更多的關(guān)注于低數(shù)據(jù)傳輸速率，其更加適用于節(jié)點(diǎn)個數(shù)多、分布區(qū)域廣、所處環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)的定位需求。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與其他定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比較，ZigBee定位網(wǎng)絡(luò)在鋪設(shè)己知錨節(jié)點(diǎn)和需求取未知節(jié)點(diǎn)外，還需要協(xié)調(diào)器（網(wǎng)關(guān)）這關(guān)鍵一環(huán)才能構(gòu)建并達(dá)成設(shè)計(jì)目的。網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)中的重要角色，首先它需要能夠響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的命令，打開網(wǎng)絡(luò)，等待其他類型節(jié)點(diǎn)訪問網(wǎng)絡(luò)，并接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送回來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理。對錨節(jié)點(diǎn)而言是無法移動節(jié)點(diǎn)，其各自的位置參數(shù)是已明確設(shè)置的。它的任務(wù)是獲取包括RSSI參數(shù)等定位相關(guān)參數(shù)并對所需參量采取合理算法進(jìn)行處理。最后，發(fā)送盲點(diǎn)填充的參數(shù)均值后，發(fā)送盲點(diǎn)填充參數(shù)，將協(xié)調(diào)器返回到上位計(jì)算機(jī)軟件處理。而且能起到鏈路路由的作用進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼。盲節(jié)點(diǎn)是可在錨節(jié)點(diǎn)的物理范圍內(nèi)隨機(jī)移動的非固定節(jié)點(diǎn)，定位的目的是獲取本類節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)。

2.2 定位系統(tǒng)方法研究

基于RSSI（接收信號的強(qiáng)度指示值）的定位方法是一種普遍適用的方法，節(jié)點(diǎn)依據(jù)接收信號的強(qiáng)度指示值與傳送距離的相合映射關(guān)系（函數(shù)關(guān)系式）得到距離參數(shù)。這是定位流程中最為核心的環(huán)節(jié)，必須在完成了這一核心環(huán)節(jié)后，進(jìn)而調(diào)用其他各類定位算法計(jì)算盲節(jié)點(diǎn)的位置信息。

2.2.1 理想測距模型

理想狀況下，RSSI是接收雙方間所傳輸功率和距離的映射關(guān)系。接收信號強(qiáng)度一般為負(fù)值隨著距離的增加而減少。下面公式4.1給出了RSSI與距離d的理想關(guān)系。該式中，λ為信號傳播常量，也稱為傳播指數(shù);d是信號放射距離。A是在1m處的接收信號強(qiáng)度值。

RSS/（d）=-（lOλlgd+A）

（1）

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下為了獲取一個有實(shí)際意義的理論關(guān)系式，在環(huán)境中的多個位置布設(shè)兩個節(jié)點(diǎn)間距1米情況下，測試10次RSSI值，取平均值得到A，則n取1～5一個數(shù)值的時候，可以繪制接受信號強(qiáng)度值的擬合曲線。通過曲線得到RSSI和距離的關(guān)系式。其他盲節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度值可以通過這些關(guān)系轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的距離d。在得到距離信息后，使用某種基于距離的定位幾何數(shù)學(xué)算法即可得到坐標(biāo)完成任務(wù)要求。

2.2.2 模型參數(shù)優(yōu)化

在通過協(xié)議棧獲取改進(jìn)的RSSI參數(shù)值后，緊接著把RSSI值用響應(yīng)算法對應(yīng)程序語言實(shí)現(xiàn)距離的轉(zhuǎn)化。對于封閉建筑這類復(fù)雜度較高的空間場景而言，已有的自用空間模型等模型已不在符合，一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型的對數(shù)路徑損耗模型是目前較為常用的模型，它已實(shí)現(xiàn)于多樣化實(shí)際區(qū)域中取得證實(shí)，其通用模型為下式：

在公式中，RS（d）代表距離發(fā)射點(diǎn)d（單位：m）處接收到的RSSI值，測量值在運(yùn)算時可使用絕對值。RS（do）代表距離發(fā)射點(diǎn)do處接收到的RSSI值，也稱參考衰減RSSI（ReceivedSignal Strength Indication）值，其中do稱為參考距離，一般情況下取一米。λ為路徑動態(tài)衰減指數(shù)，表示信號依據(jù)傳送距離的增加其功率的衰減速度，該值與所處環(huán)空間因素有很大關(guān)系，取決于現(xiàn)場區(qū)域的類型。ξ來表示一個均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的高斯分布隨機(jī)噪聲，其在不同室內(nèi)場景下的賦值也是有差異一般在3.0到14.0 dB。

則由上面公式推算得到盲節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離d為：

式中RS（d）、λ和ξ稱為模型參數(shù)值，三個實(shí)參一起決定距離的最終求取值。為提高使用性一般情況下采用多次測量多種環(huán)境下參數(shù)值進(jìn)行賦值。此次方案可移植性杰出，在實(shí)際場景改動后不必對常量重新測量后系統(tǒng)設(shè)置模型參數(shù)值，而依托自身算法重新給定參數(shù)。

2.2.3三邊定位算法

基于RSSI的三邊定位算法是未知點(diǎn)的己知三點(diǎn)坐標(biāo)和RSSI的信號值，這三個點(diǎn)被解決，未知坐標(biāo)被求解。第一種是將RSSI信號值轉(zhuǎn)換為從未知點(diǎn)到三點(diǎn)的距離，剩下的是解決未知點(diǎn)坐標(biāo)問題。我們都知道，兩個圓將在一個或兩個點(diǎn)相交（如果相交），那么三個圓，如果它們相交，必然會在一個點(diǎn)相交（這里不考慮三個檢測裝置在直線上有兩點(diǎn)相交）所以我們需要解決的盲節(jié)點(diǎn)是以三個己知節(jié)點(diǎn)為中心繪制的三個圓的交點(diǎn)，以及它們與未知節(jié)點(diǎn)的距離作為半徑，如圖1所示。然后，坐標(biāo)求解轉(zhuǎn)化為找到三個己知圓的交集，然后根據(jù)圖形幾何關(guān)聯(lián)求方程。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，很多時候存在導(dǎo)致三個圓也許無法匯聚一點(diǎn)，假設(shè)移動節(jié)點(diǎn)僅在參考節(jié)點(diǎn)的物范圍內(nèi)活動，則會產(chǎn)生如圖2所示的四種情形，所以在實(shí)際操作中，首先需要判斷三個圓中哪幾個相交，采用的辦法是將三個圓的方程兩兩組合，根據(jù)計(jì)算判斷是否有解。

如果方程（1）有解（x12，y12）、（x21，y21），判斷其中哪個點(diǎn)到（x3，y3）的距離近，選取該點(diǎn)為D;如果方程（2）有解（x13，y13）、（x31，y31），判斷其中哪個點(diǎn)到（x2，y2）的距離近，選取該點(diǎn)為F;如果方程（3）有解（ x23，y23）、（x32，y23），判斷其中哪個點(diǎn)到（xl，yl）的距離近，選取該點(diǎn)為E;所求盲節(jié)點(diǎn)的二維坐標(biāo)即三角形DEF的中心坐標(biāo)。如果其中方程（1）無實(shí)根，則連接兩圓圓心，與圓相交兩點(diǎn)的直線中心就是D;對于方程（2）、（3）無實(shí)根情況下，E、F點(diǎn)也依此求得，就此則可獲取中心作為移動節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

3 定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括核心模塊和擴(kuò)展模塊兩大部分，核心模塊選擇TI公司的CC2530片上系統(tǒng)，該芯片集成了無線收發(fā)器和增強(qiáng)型8051處理器。并在在單芯片上組裝了ZigBee無線電磁發(fā)射模組，存儲器和MCU。供電電路采用直流（Direct Curren）電池模組供能，直流為5V電源適配器。移動節(jié)點(diǎn)采用4節(jié)5號電池進(jìn)行供能。協(xié)調(diào)器模塊需要和上位機(jī)通信，所以除了必要的無線通信外還需要串口通信功能，為方便調(diào)試串口通信使用Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器。硬件功能模塊圖如圖3所示。

3.2 定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位的基本思想是將盲節(jié)點(diǎn)附近所有的節(jié)點(diǎn)無線覆蓋范圍內(nèi)的己知錨節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度值傳輸給協(xié)調(diào)器，同時利用相應(yīng)的定位算法，由協(xié)調(diào)器將信號強(qiáng)度值傳遞到上位機(jī)監(jiān)控軟件，計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值并進(jìn)行顯示。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)成功后，首先向盲節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送請求定位幀。盲節(jié)點(diǎn)收到上述廣播幀后，將封裝有RSSI值和步跳數(shù)設(shè)置為1的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)包進(jìn)行廣播，保證只有在單跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)才能接收到該封裝信息包。

參考節(jié)點(diǎn)對一跳范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)接收到RSSI信號進(jìn)行預(yù)處理，記錄該盲點(diǎn)的RSSI值，由于無法處在理想場景下存在干擾波動，該數(shù)值并非穩(wěn)定不變。因此各錨節(jié)點(diǎn)可對收取的RSSI值進(jìn)行適當(dāng)加工，即簡單的對RSSI值求和作平均。盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送RSSI的數(shù)據(jù)包請求信號，接收到數(shù)據(jù)包請求命令信號后，參考節(jié)點(diǎn)將各種所需參數(shù)值按特定協(xié)議封裝，發(fā)送到盲節(jié)點(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到協(xié)調(diào)器?？紤]到協(xié)調(diào)器將組網(wǎng)和串口通信功效用外，仍可兼具錨節(jié)點(diǎn)部分效用，所以僅需編譯兩類相近的算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。盲節(jié)點(diǎn)定位流程圖如圖4所示。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)通過下述過程發(fā)送給主機(jī)進(jìn)行位置信息的顯示，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)PC處理軟件中，與定位相關(guān)的功能主要包括兩大類：串口通信和訊息處置。定位信息處理包括2個方面：

（1）提供PC和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件與軟件接口，PC通過調(diào)用串口與網(wǎng)關(guān)來交互。

（2）區(qū)塊定位。移用相應(yīng)定位算法實(shí)現(xiàn)程序，打印串口發(fā)送數(shù)據(jù)在PC端顯示獲取未知節(jié)點(diǎn)二維坐標(biāo)訊息，并顯示和保存定位二維坐標(biāo)。協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)流程如圖5所示。

4 定位測試與誤差分析

通過比較未知節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)位置與多次實(shí)測節(jié)點(diǎn)的二維坐標(biāo)值進(jìn)行為誤差分析，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為（0.5，0.5），為了提高系統(tǒng)測試精度，數(shù)據(jù)進(jìn)行10次采集。將十次結(jié)果進(jìn)行平均值，通過測試計(jì)算得X平均值為0.51603米，Y平均值為0.48896米，X值的誤差為1.063%，Y值的誤差為2.208%。整體測量誤差在正負(fù)1.635%。如表1所示。

5 總結(jié)

本文論述了基于Zigbee技術(shù)和RSSI的室內(nèi)定位技術(shù)，詳細(xì)說明了室內(nèi)定位系統(tǒng)的基本原理和算法，從理想模型出發(fā)，優(yōu)化了RSSI算法，計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的準(zhǔn)確距離;最后在上位機(jī)中通過串口打印位置信息，利用校園室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)際測試，測試結(jié)果表明該對于平面定位需求該系統(tǒng)定位精確，誤差小。后續(xù)將進(jìn)行節(jié)點(diǎn)合理封裝，適宜佩戴，并且考慮增加參考節(jié)點(diǎn)個數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同樓層間精確定位。

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