基于ZigBee和RSSI測距算法的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

藍(lán)芳萍+張文錦+殷旭東

摘 要：移動終端室內(nèi)定位技術(shù)需求日益增加，解決方案多種多樣，但已有技術(shù)存在實(shí)現(xiàn)困難、硬件功耗大、環(huán)境變化不適應(yīng)等問題。闡述了基于ZigBee協(xié)議和RSSI測距算法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的基本原理，并以此理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了室內(nèi)定位系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了室內(nèi)定位系統(tǒng)整體架構(gòu)，闡述了室內(nèi)定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，包括RSSI測距模型、參數(shù)優(yōu)化、節(jié)點(diǎn)RSSI閾值處理、盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算及ZigBee自組網(wǎng)。選取實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行測試，結(jié)果表明，基于該技術(shù)的定位系統(tǒng)精確度較高，且具有節(jié)能和環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；ZigBee技術(shù)；RSSI測距

DOIDOI：10.11907/rjdk.172262

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0105-03

0 引言

室內(nèi)定位技術(shù)[1]蓬勃發(fā)展，技術(shù)方案有基于測距技術(shù)和基于非測距技術(shù)兩大類?；跍y距技術(shù)的算法有AOA、TOA、TDOA和RSSI；基于非測距技術(shù)的算法有DV-HOP、質(zhì)心算法等[2] 。

室內(nèi)定位技術(shù)多樣、室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，對該技術(shù)的研究較多。如唐銘等[3]研究比較了TDOA與TOA這兩種基于測距技術(shù)的方法，得出TDOA的定位精度更高但實(shí)現(xiàn)難度較大的結(jié)論；魏培等[3-4]將三角形質(zhì)心算法改進(jìn)為內(nèi)三角形質(zhì)心算法，用以解決基于非測距質(zhì)心算法定位精度低、穩(wěn)定性差等問題，但算法流程多，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜；干建勇等[5]為了解決DV-HOP算法精度低的問題，提出改進(jìn)算法ECDV-HOP，但改進(jìn)后存在通信量和計(jì)算量明顯增大，算法代價高等問題。RSSI測距[6]算法難度較低，易于實(shí)現(xiàn)，不需要額外增加硬件設(shè)施，是大多數(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)的首要選擇。

在藍(lán)牙、WiFi、超聲波、ZigBee等短距離無線通信技術(shù)中，藍(lán)牙通信技術(shù)雖然成本功耗低，但傳輸性能差穩(wěn)定性差；WiFi在生活中常見，用于室內(nèi)定位可說是一舉兩得，但現(xiàn)有的WiFi定位技術(shù)依賴于熱點(diǎn)位置，若要實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的定位，需布置充足的WiFi熱點(diǎn)，成本高功耗大；超聲波技術(shù)用于室內(nèi)定位準(zhǔn)確度高，但易受障礙物影響且設(shè)備成本高。ZigBee[7]作為一種低成本、低功耗、低速率的短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，信號傳輸不受視距影響，用于室內(nèi)定位系統(tǒng)有獨(dú)特優(yōu)勢。因此，本系統(tǒng)采用具有低成本、低功耗的ZigBee通信協(xié)議和RSSI測距技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)和用戶定位導(dǎo)航APP三部分組成。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是收集和形成用于實(shí)現(xiàn)盲節(jié)點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)信息，并傳送給上位機(jī)；上位機(jī)則負(fù)責(zé)處理ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送過來的數(shù)據(jù)包，用定位算法計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

系統(tǒng)處理流程： ZigBee盲節(jié)點(diǎn)廣播的RSSI信號值，通過ZigBee自組網(wǎng)中的ZigBee參考節(jié)點(diǎn)將其收集并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過WPAN（無線個人局域網(wǎng)）傳送給上位機(jī)，上位機(jī)將從ZigBee自組網(wǎng)內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)包交給數(shù)據(jù)處理程序，計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)定位采用RSSI測距算法。定位算法分兩步：①使用RSSI測距算法測距；②根據(jù)測得的距離以及從ZigBee節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)位置。

2.1 RSSI測距模型

信號在傳播過程中，由于外界環(huán)境的復(fù)雜性會在一定程度上造成信號衰弱，而且傳播距離越大，信號衰弱越大，根據(jù)這個規(guī)律可以得出信號強(qiáng)度的衰減與距離的關(guān)系。目前工業(yè)中采用最多的無線信號傳輸理論模型為shadowing模型[8]：

2.2 參數(shù)優(yōu)化

A和n的值對能否實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位起著至關(guān)重要的作用，為了提高RSSI信號值的準(zhǔn)確度，參數(shù)A和n的取值需要在實(shí)際定位環(huán)境中多次測量計(jì)算取得。

2.3 盲節(jié)點(diǎn)RSSI閾值處理

所謂盲節(jié)點(diǎn)RSSI閾值[10]，用來排除受環(huán)境干擾比較嚴(yán)重的參考節(jié)點(diǎn)接收到的RSSI信號值，是衡量RSSI信號值的一個標(biāo)準(zhǔn)量。

設(shè)閾值為RRSSI，參考節(jié)點(diǎn)的定位半徑為r，首先參考節(jié)點(diǎn)在距離盲節(jié)點(diǎn)為r處接收多個RSSI信息包，然后通過參考節(jié)點(diǎn)RSSI值濾波處理的優(yōu)化步驟得到一個RSSI值，該值可作為閾值RRSSI。為了提高定位的準(zhǔn)確性，需多次測量，最后取所有RSSI值的平均值作為閾值。

假設(shè)盲節(jié)點(diǎn)接收到一跳范圍內(nèi)n個參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值RSSIi，i=0，1，…，n，x為RSSIi≥RRSSI的個數(shù)。如果x≥3，則這x個參考節(jié)點(diǎn)所接收的RSSI信號值說明，該參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)受障礙物影響小，可以使用；如果x<3，即參考節(jié)點(diǎn)受障礙物影響大，但所接收的RSSI仍具有參考意義。所以，將一部分參考節(jié)點(diǎn)接收到的RSSI信號值與參考節(jié)點(diǎn)位置信息打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

2.4 盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

2.5 ZigBee自組網(wǎng)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)就是在ZigBee啟動后將自動形成ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)類型分為星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。組建一個ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)分為兩步：①協(xié)調(diào)器初始化；②ZigBee節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。

2.5.1 協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡(luò)

協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡(luò)步驟：①檢測協(xié)調(diào)器。由具有ZigBee協(xié)調(diào)器功能的節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立一個新網(wǎng)絡(luò)；②信道掃描。網(wǎng)絡(luò)層實(shí)體選出一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)目最少、符合要求的信道。若沒有，則進(jìn)程終止，初始化失敗；③配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體隨機(jī)分配一個唯一的PAN描述符給這個新網(wǎng)絡(luò)。若沒有符合條件的PAN描述符則進(jìn)程終止，初始化失??；④運(yùn)行新網(wǎng)絡(luò)。MAC層啟動并運(yùn)行新網(wǎng)絡(luò)；⑤允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，由ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

通過上述步驟，協(xié)調(diào)器建立一個新的網(wǎng)絡(luò)并允許ZigBee節(jié)點(diǎn)加入。endprint

2.5.2 節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)

節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)有兩種方法：①通過使用MAC層關(guān)聯(lián)進(jìn)程加入網(wǎng)絡(luò)；②通過與先前指定的父節(jié)點(diǎn)連接加入網(wǎng)絡(luò)，本文采用后一種方法。

（1）父節(jié)點(diǎn)處理子設(shè)備直接加入網(wǎng)絡(luò)。父節(jié)點(diǎn)對請求加入的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷，確定它不存在于新的網(wǎng)絡(luò)中；確認(rèn)后為其分配一個網(wǎng)絡(luò)地址，并在節(jié)點(diǎn)信息表中登記。

（2）子節(jié)點(diǎn)連接父節(jié)點(diǎn)確認(rèn)父子關(guān)系。子節(jié)點(diǎn)要向父節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立父子關(guān)系，此時網(wǎng)絡(luò)層實(shí)體管理將會掃描信道，確認(rèn)父節(jié)點(diǎn)信息。確認(rèn)完畢后，通知父節(jié)點(diǎn)允許子節(jié)點(diǎn)加入，此時子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)之間建立了父子關(guān)系，即成功加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

經(jīng)過上述步驟，ZigBee節(jié)點(diǎn)在協(xié)調(diào)器的作用下即可自動加入ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)中。

3 測距定位流程

ZigBee協(xié)調(diào)器啟動后，與室內(nèi)所設(shè)置的ZigBee參考節(jié)點(diǎn)自動組成網(wǎng)路，并通過WPAN與上位機(jī)建立連接。用戶進(jìn)入室內(nèi)前，工作人員為其分配一個手持電子標(biāo)簽（盲節(jié)點(diǎn)）。進(jìn)入室內(nèi)后，電子標(biāo)簽將自動加入ZigBee協(xié)調(diào)器組成的網(wǎng)絡(luò)并不斷發(fā)送RSSI信號，開始向網(wǎng)絡(luò)廣播數(shù)據(jù)包；參考節(jié)點(diǎn)接收到廣播數(shù)據(jù)包后，處理廣播包中的RSSI值，將RSSI值與自身的位置信息整合，并將處理后的數(shù)據(jù)包發(fā)送到協(xié)調(diào)器；ZigBee協(xié)調(diào)器接收參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包并發(fā)送至上位機(jī)；上位機(jī)處理接收到的數(shù)據(jù)包并計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。圖3為定位流程。

4 系統(tǒng)測試

4.1 數(shù)據(jù)包說明

定位數(shù)據(jù)由ZigBee節(jié)點(diǎn)收集，以比特流的形式傳輸至上位機(jī)。表1、表2為一個數(shù)據(jù)包實(shí)例。

4.2 上位機(jī)軟件運(yùn)行實(shí)測

上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，最終由上位機(jī)定位軟件顯示，圖4為測試結(jié)果。圖中藍(lán)色框帶有標(biāo)簽號的為參考節(jié)點(diǎn)，黑色框帶有標(biāo)簽號的為盲節(jié)點(diǎn)。以N6一樓為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)置3個參考節(jié)點(diǎn)和一個盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。

5 結(jié)語

本文論述了基于ZigBee技術(shù)和RSSI測距算法的室內(nèi)定位技術(shù)，詳細(xì)說明了室內(nèi)定位系統(tǒng)的基本架構(gòu)和原理，優(yōu)化了RSSI測距，提出了RSSI閾值處理方法，計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的準(zhǔn)確距離；同時提出一種盲節(jié)點(diǎn)計(jì)算方式，利用最小二乘法準(zhǔn)確計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。最后在上位機(jī)中編寫出測試軟件，利用實(shí)驗(yàn)樓環(huán)境實(shí)測室內(nèi)定位技術(shù)，結(jié)果顯示效果理想。但由于參考節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中畫圈區(qū)域的定位由于非視距、信號強(qiáng)度等因素，會影響到定位準(zhǔn)確度。今后將增加參考節(jié)點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個樓層的精準(zhǔn)定位。

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