基于ZigBee的RSSI改進定位算法在列車盲區(qū)定位中的實現(xiàn)

李衛(wèi)東，劉影

(大連交通大學 電氣信息學院, 遼寧 大連116028)

0 引言

ZigBee技術(shù)是一種具有低功耗、低成本和高可靠性等優(yōu)點的雙向無線通信技術(shù)，隨著研究的不斷深入，ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，技術(shù)也更加成熟.與藍牙、WIFI等無線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)也具有其獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用前景.其中，基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位就是非常重要的一項應(yīng)用.基于接收信號強度(RSSI)的測距算法是利用無線電信號在傳輸過程中存在損耗，根據(jù)發(fā)射端與接收端信號強度的差值對兩者之間的距離進行計算.在實際應(yīng)用中利用RSSI測距，信號強度往往在傳輸過程中容易被外界環(huán)境干擾[1]，本文在基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法基礎(chǔ)上加以改進來對待測節(jié)點進行定位可以提高定位精度[2].

1 RSSI改進加權(quán)質(zhì)心定位算法

實際應(yīng)用中，由于環(huán)境因素及信號在傳播過程中的反射、散射等影響，信號會出現(xiàn)一定程度的附加衰減，因此，利用對數(shù)距離路徑損耗模型測得的數(shù)據(jù)將更加準確.對數(shù)距離路徑損耗模型的表達式如下：

Pi(d)=Pt(d0)+10nlg(d/d0)+Xσ

式中，Pt(d)表示待測節(jié)點與信標節(jié)點之間距離為d時的損耗強度，單位為dbm；PL(d0)表示待測節(jié)點與信標節(jié)點之間距離較近(一般為1 m)時的參考損耗值；n代表路徑損耗指數(shù)；Xσ是均值為0的高斯分布隨機變量.所以，待測節(jié)點接收到的信號強度可以表示為：

Pr(d)=Pt-PL(d)

Pt表示信標節(jié)點的發(fā)射強度；Pr(d)為待測節(jié)點收到的信號強度，也就是RSSI值.

采用四個信標節(jié)點參與定位[3]，并以四個圓的公共弦交點所組成的區(qū)域代替類似DEF的相交區(qū)域，計算其質(zhì)心坐標視為待測節(jié)點的坐標，如圖1.圖中E、F、G、H為4條公共弦的交點，設(shè)它們的坐標分別為(XE、YE)、(XF、YF)、(XG、YG)、

圖1 改進質(zhì)心定位模型

(XH、YH)，根據(jù)質(zhì)心定位的思想，將四邊形EFGH的質(zhì)心作為待測節(jié)點M的測量位置.則待測節(jié)點M的坐標為可表示為：

各信標節(jié)點的坐標已知且固定，所以測距會對定位準確性有很大影響，通過反復計算和驗證可知，將距離作為加權(quán)因子，加權(quán)后待測節(jié)點的坐標表達式可表示為：

2 改進算法列車盲區(qū)定位系統(tǒng)中的實現(xiàn)

2.1 定位系統(tǒng)平臺

本文選用的是基于CC2530(2.4GHz無線SOC)的ZigBee定位系統(tǒng)開發(fā)套件，主要硬件設(shè)備包括4個信標節(jié)點、1個待測節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、仿真器、串口轉(zhuǎn)USB線和PC機一臺.信標節(jié)點和待測節(jié)點均為CC2530模塊，采用2.4GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee片上系統(tǒng)解決方案.模塊的有效通信半徑為80 m，工作頻率2.4～2.485 GHz，經(jīng)電池盒供電后可以獨立運行使用，內(nèi)置PCB天線，具備全功能仿真調(diào)試接口，能夠直接下載仿真程序進行調(diào)試，也可以作為獨立ZigBee開發(fā)板使用.本文所用ZigBee開發(fā)套件相關(guān)的軟件主要有：VB 6.0、SmartRF Flash Programmer、Packet Sniffer、IAR Embedded Workbench以及上位機演示軟件.

2.2 信標節(jié)點的布置

本文將信標節(jié)點以相隔50m的距離均勻布置在隧道壁兩側(cè),如圖2.當列車行駛到節(jié)點AC中間位置時就已經(jīng)處于節(jié)點E的通信范圍之內(nèi)，同時還仍然處于節(jié)點A的通信范圍之內(nèi)，列車行駛在隧道的任何位置都能進行不間斷地定位；此外，按照50 m間隔布置信標節(jié)點，使相鄰兩信標節(jié)點同時參與定位的最大范圍直線距離為110m，設(shè)置標節(jié)點對外廣播信息的時間周期為1 s時，時速達到198 km的列車在通過相鄰兩個節(jié)點時，理論上可以完成兩次有效定位，而當列車通過兩相鄰節(jié)點時，在此期間定位時沒有信標節(jié)點間的切換，因此完成的有效定位次數(shù)越多，其定位結(jié)果越接近系統(tǒng)的實際定位能力，數(shù)據(jù)的參考價值越高.

圖2 信標節(jié)點布置圖

2.3 定位測試及結(jié)果分析

由于測試環(huán)境的特殊性及條件限制，本文利用汽車代替列車，采用本文提出的定位算法對公路隧道內(nèi)行駛的車輛進行定位測試實驗，記錄不同速度下測得的RSSI值和定位誤差，進行數(shù)據(jù)分析，為接下來的研究工作提供依據(jù).測試地點為位于大連市內(nèi)的蓮花山隧道，隧道全長2 600 m，寬10.6 m(自測)，單向雙車道.

2.3.1 參數(shù)測定

若要得到準確的RSSI值，首先要確定準確的參數(shù)A和n值，具體做法是：

(1)手持待測節(jié)點，調(diào)節(jié)待測節(jié)點與某個信標節(jié)點位置的相對遠近，同時觀察對應(yīng)信號檢測數(shù)值的變化，記錄各信號強度數(shù)值下待測節(jié)點與參考信標節(jié)點間的距離；

(2)按照步驟(1)的方法依次完成待測節(jié)點與四個信標節(jié)點的通信距離(在各強度數(shù)值下的可達通信距離)測試，并做好記錄；

(3)統(tǒng)計各信號強度數(shù)值下待測節(jié)點與信標節(jié)點的通信距離平均值；

(4)根據(jù)測距換算公式d=10^((ABS(RSSI)-A)/(10*n))，計算出最優(yōu)的A和n值.

按照上述步驟操作，最終測得隧道內(nèi)A和n的值分別為-22和4.6，再將A的數(shù)值轉(zhuǎn)換成補碼表示即為234.

2.3.2 測試結(jié)果及分析

信標節(jié)點橫向間隔50 m，每間隔10 m做一處標記，方便對車輛的實際位置進行測量.4個信標節(jié)點的坐標分別為(50,0)、(50,10.6)、(0,10.6)、(0,0)；汽車達到測試速度后保持車輛勻速行駛；當汽車駛?cè)胄艠斯?jié)點通信范圍內(nèi)時，上位機軟件記錄RSSI值，開始對車輛進行定位,觀察和記錄數(shù)據(jù)及測試車輛的定位情況，并記錄每次完成定位時車輛的實際位置，便于誤差計算.

圖3 低速測試

將車速提高到50 km/h通過測試路段，操作同低速測試，隨機獲取該速度下某一次定位，根據(jù)上位機軟件顯示，此時測試車輛所處位置的定位坐標為(43.61,9.87)；而經(jīng)過實際測量計算，該時刻汽車所處的實際位置為(44.23,7.96)，定位誤差2.01 m，相比于低速行駛時，誤差有所增大.

經(jīng)過10次50 km/h速度下的定位測試，共采集到24組誤差小于5 m的數(shù)據(jù)、4組誤差大于6m的數(shù)據(jù)，以及2組未能完成定位的無效數(shù)據(jù).經(jīng)計算，所得28組有效定位數(shù)據(jù)的平均誤差為3.74m，各誤差數(shù)值按記錄順序如圖4所示.

圖4 50 km/h定位誤差統(tǒng)計

將車速提高到60 km/h通過測試路段，再次隨機獲取該速度下某一次定位，由上位機軟件顯示，此時測試車輛所處位置的坐標為(23.68,-3.17)；經(jīng)過測量計算得到該時刻汽車所處的實際位置為(23.16,2.29)，定位誤差為5.48 m.定位誤差有較明顯的增大.

進行10次該速度下對車輛的定位測試，定位誤差在3 m之內(nèi)的定位結(jié)果共有4組，誤差在3～6 m之間的有11組，另外誤差大于6 m和定位失敗的數(shù)據(jù)各有3組.經(jīng)過計算，最大誤差和最小誤差分別為7.15 m和2.14 m，所得平均定位誤差為4.46 m，各誤差數(shù)值按記錄的時間順序如圖5所示.

圖5 60 km/h定位誤差統(tǒng)計

3 結(jié)論

本文解決了列車在處于北斗定位盲區(qū)時的定位問題，用汽車代替列車，在大連市蓮花山隧道內(nèi)進行測試，比較不同速度下ZigBee定位系統(tǒng)對移動目標的定位結(jié)果.利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析推斷，系統(tǒng)的定位誤差具有隨速度增加而增大的趨勢；但當車速從50 km/h增加到60 km/h之后，最小定位誤差依然能夠保持在2 m左右，平均誤差的增量也在1 m之內(nèi)，總體定位效果符合預期.但實驗過程中，系統(tǒng)出現(xiàn)定位失敗的情況說明，該定位系統(tǒng)在工作時仍然存在一定的不足，需要進一步加強改進策略；同時需要在條件允許的情況下對更高速度的車輛進行定位測試，獲取更多準確客觀的定位數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的不斷完善提供有效參考.