智能車輛無線傳感定位方法

茍丹丹，張開生，劉振華

（1.西安汽車職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710600；2.陜西科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)信息化時代，依托互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)，人類生活從傳統(tǒng)步入現(xiàn)代，由智慧轉(zhuǎn)向智能。在智能交通領(lǐng)域，多單元組成的群組在區(qū)域內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)定位方面有著廣泛的應(yīng)用前景，目前隨著5G技術(shù)以及車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無人自動駕駛技術(shù)等迅速普及和發(fā)展，智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療設(shè)備、智能家居以及安全生產(chǎn)領(lǐng)域得到了具體體現(xiàn)，尤其是汽車產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展，對城市公共交通系統(tǒng)的智能化管理和調(diào)度提出更高要求。

智能定位是城市公共交通系統(tǒng)調(diào)度和管理的重要一環(huán)，傳統(tǒng)定位方式有北斗定位、GPS定位等，但這些定位方式需要額外硬件，成本較高，且難以實(shí)現(xiàn)多單元組成的群組協(xié)同定位，在實(shí)際應(yīng)用中，GPS定位系統(tǒng)很難在復(fù)雜路況及不良天氣條件下作出高精度測距，無線傳感定位是針對區(qū)域內(nèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位的一種方法，即令無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為未知節(jié)點(diǎn)，將已知精確位置點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，基于節(jié)點(diǎn)位置估測機(jī)制，對參考節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的相對距離進(jìn)行測量，進(jìn)而間接確定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中未知目標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身位置。

目前，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，主要有TDOA、TOA、AOA及RSSI（Received Signal Strength Indication）幾 種定位方法，但前三種均是基于到達(dá)時間差或到達(dá)角度的定位，在測距階段，如果路況復(fù)雜，障礙物較多，難以較好地選取信標(biāo)節(jié)點(diǎn)加權(quán)權(quán)重權(quán)值。現(xiàn)有WSN定位算法根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器智能定位過程中是否對實(shí)際節(jié)點(diǎn)間距離進(jìn)行測量，主要分為Range-free無測距和Rangebased有測距定位，RSSI測距方法利用無線信號傳播損耗與待測距離間的信號衰減模型、待測經(jīng)驗、信號衰減規(guī)律以及測距時的理論關(guān)系，通過高斯函數(shù)濾波、牛頓法迭代和特征匹配、距離加權(quán)等節(jié)點(diǎn)定位，經(jīng)過算法改進(jìn)優(yōu)化，可將傳輸損耗轉(zhuǎn)換為無線傳感信號發(fā)射點(diǎn)距接收節(jié)點(diǎn)間的距離，測距誤差較小。因此研究與開發(fā)一種可靠性高、成本低，能夠采用動態(tài)參考節(jié)點(diǎn)定位的新型智能車輛無線傳感定位系統(tǒng)顯得非常必要。

1 基于CC2530芯片的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及智能定位模型

1.1 基于CC2530的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成

智能車輛無線傳感定位系統(tǒng)組成如圖1所示。圖1中為、兩個固定參考節(jié)點(diǎn)之間的距離，在參考節(jié)點(diǎn)部署時，、值已知，為待定移動節(jié)點(diǎn)與固定參考節(jié)點(diǎn)之間的距離。圖中ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均通過有線與數(shù)據(jù)管理中心連接；ZigBee有線與無線數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信以圖中“虛線”來表示。據(jù)圖1可知，定位系統(tǒng)幾乎全部采用TI無線網(wǎng)絡(luò)CC2530芯片進(jìn)行區(qū)域傳感定位和車輛跟蹤，減少有線傳輸定位系統(tǒng)布線成本，提高目標(biāo)定位精度。

圖1 智能車輛物聯(lián)網(wǎng)無線傳感定位系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 基于RSSI的無線傳感定位模型

考慮到TI無線網(wǎng)絡(luò)CC2530芯片固有特點(diǎn)，結(jié)合ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)定位低功耗要求，系統(tǒng)利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳感協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，基于RSSI接收信號強(qiáng)度進(jìn)行智能車輛定位。RSSI無線傳感定位理論值與距離、發(fā)射功率間的函數(shù)關(guān)系可由式（1）表示：

式中：表示無線網(wǎng)絡(luò)CC2530芯片信號傳播常數(shù)；為CC2530內(nèi)置RSSI接收信號強(qiáng)度指示器信號發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間的距離；為發(fā)射點(diǎn)距接收點(diǎn)距離等于1 m時來自前端天線增益及傳輸損耗接收到的信號強(qiáng)度絕對值。根據(jù)實(shí)測，通常為-46（根據(jù)RF輸入功率與RSSI寄存器值相對變化關(guān)系曲線取平均值）。

圖2為典型RF輸入功率與接收信號強(qiáng)度RSSI值曲線。

圖2 典型RF輸入功率與接收信號強(qiáng)度RSSI值曲線

描述的是RSSI信號強(qiáng)度受信號指示器發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)距離增加產(chǎn)生的影響。為了便于精確定位，帶有RSSI定位引擎的CC2530無線網(wǎng)絡(luò)芯片按表1參數(shù)換算關(guān)系，將值轉(zhuǎn)換為“_index”后再采用動態(tài)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。

表1 n值參數(shù)轉(zhuǎn)換表

將式（1）反解，可得如式（2）動態(tài)坐標(biāo)系中多節(jié)點(diǎn)群組接收信號強(qiáng)度RSSI測距式函數(shù)：

正常情況下，在RSSI定位過程中，移動節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包均能夠被每個移動節(jié)點(diǎn)周圍的參考節(jié)點(diǎn)接收，并對應(yīng)一個RSSI距離值，因此在復(fù)雜路況下基于無線傳感智能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行RSSI定位，必然會涉及到一個最優(yōu)距離的問題。在無線傳感定位時，除了準(zhǔn)確測量和選擇、等參數(shù)外，仍不能忽視移動節(jié)點(diǎn)周圍參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，為保證定位精度，參考節(jié)點(diǎn)可在3~8之間取值。

2 ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)下RSSI移動定位算法優(yōu)化

因網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時RSSI值易受周圍障礙物、多路徑、繞射等外界環(huán)境因素影響，所以ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)下的RSSI移動定位系統(tǒng)在傳輸無線信號時可能極不穩(wěn)定，會增大定位誤差，因此需要對RSSI移動定位算法進(jìn)行校正優(yōu)化。本文基于RSSI定位中的無線信號傳播損耗Shadowing模型，提出了一種預(yù)濾波修正權(quán)重的序貫質(zhì)心定位算法。

圖3所示為移動節(jié)點(diǎn)周圍參考節(jié)點(diǎn)路徑傳播損耗。

圖3 移動節(jié)點(diǎn)周圍參考節(jié)點(diǎn)路徑傳播損耗

2.1 無線信號傳播損耗Shadowing模型

在基于ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行RSSI移動定位中，已知信號發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度指示，接收信號強(qiáng)度指示RSSI節(jié)點(diǎn)可根據(jù)已接收信號強(qiáng)度，對信號在復(fù)雜路徑下傳播時的損耗進(jìn)行計算，通過經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏斁嚯x損耗進(jìn)行節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換，利用已知算法便能較為準(zhǔn)確地計算出信號接收節(jié)點(diǎn)位置。因此，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，常會用到ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)模擬的Shadowing完整傳播模型：

Shadowing模型由兩部分組成，一部分是可預(yù)測信號強(qiáng)度的pass loss路徑損失模型，當(dāng)以接收信號強(qiáng)度()為參考時，它能準(zhǔn)確預(yù)測出1 m之內(nèi)給定距離的距離為時的信號強(qiáng)度()。

式（3）中，衰減指數(shù)一般在2~6之間根據(jù)場地測量得來的經(jīng)驗取值，當(dāng)?shù)缆分械恼系K物較多時，衰減指數(shù)就越大，因此隨著待測距離的增加，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中接收到的無線信號傳播平均能量下降速度會越快。

無線信號傳播損耗Shadowing模型的另一部分是一個對數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量，它反映了定位測量距離恒定條件下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到的能量變化，若測量距離以dB為計量單位，Shadowing模型滿足高斯分布，它作為一個高斯隨機(jī)變量，本身無實(shí)際意義。但在統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域，通過對模型進(jìn)行拓展，可使之成為富有統(tǒng)計學(xué)意義的定位模型。

2.2 基于預(yù)濾波修正權(quán)重的序貫質(zhì)心定位算法改進(jìn)

在傳統(tǒng)的質(zhì)心定位算法模型中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性地向鄰近節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)分組，此時信標(biāo)分組中包含若干個復(fù)雜的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息與車輛標(biāo)識號，由于普通質(zhì)心算法受無線電傳播路徑損耗影響，所以節(jié)點(diǎn)位置受信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的干擾。

理論證明，利用接收信號強(qiáng)度指示RSSI可提高質(zhì)心定位算法精度，并獲得定位信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的偏移權(quán)值，基于此，本文提出了一種改進(jìn)后預(yù)濾波修正權(quán)重的序貫質(zhì)心定位算法。

加權(quán)定位算法中，未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)間的估計坐標(biāo)可用如下公式求?。?/p>

3 ZigBee智能車輛無線傳感定位節(jié)點(diǎn)硬件

基于序貫質(zhì)心定位改進(jìn)算法的ZigBee智能車輛無線傳感定位系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖4所示，其中系統(tǒng)的核心為TI公司設(shè)計的一款高集成度、低功耗、低成本的CC2530芯片，此芯片可在2.4 GHz ISM頻段工作，是基于ZigBee協(xié)議SoC解決方案的主控電路。CC2530節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)與主控電路原理圖如圖5所示。

圖4 ZigBee智能車輛無線傳感定位節(jié)點(diǎn)硬件框圖

圖5 CC2530主控電路原理圖

4 軟件流程實(shí)現(xiàn)方法

4.1 ZigBee定位過程中子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程

1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電初始化，組建智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，等待坐標(biāo)系中所有的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，成功后，協(xié)調(diào)器上LED指示燈亮起。

2）多單元組成的群組在協(xié)同定位時，搜索動態(tài)參考節(jié)點(diǎn)信號，讀取群體中任意兩個節(jié)點(diǎn)間的坐標(biāo)值及各移動節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)間的RSSI距離值。

3）將系統(tǒng)實(shí)時讀取的錨節(jié)點(diǎn)周期性參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置和參考節(jié)點(diǎn)與邊緣云服務(wù)器坐標(biāo)位置之間的距離發(fā)送給周邊區(qū)域道路中的參考節(jié)點(diǎn)和車輛智能調(diào)度管理中心。

ZigBee定位過程中子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程如圖6所示，流程圖中列出的分組信標(biāo)節(jié)點(diǎn)函數(shù)為ZigBee RSSI智能定位時所使用的無限傳感網(wǎng)絡(luò)Z-Stack 2007協(xié)議棧中的部分主要函數(shù)。

圖6 ZigBee定位子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程

4.2 智能參考節(jié)點(diǎn)軟件工作流程

1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由器智能參考節(jié)點(diǎn)上電初始化，申請加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2）信號搜索，接收并判斷智能傳感數(shù)據(jù)是否發(fā)送給參考節(jié)點(diǎn)，如果是，則提取數(shù)據(jù)包中的RSSI測距值，否則丟棄數(shù)據(jù)包。

3）當(dāng)某一移動節(jié)點(diǎn)的無線智能傳感數(shù)據(jù)接收次數(shù)達(dá)到10次時，對其均值進(jìn)行計算。

4）采用改進(jìn)的RSSI定位算法計算移動節(jié)點(diǎn)與本參考節(jié)點(diǎn)間的距離均值。

5）將本參考節(jié)點(diǎn)與移動節(jié)點(diǎn)間的RSSI測距值信息以及自身坐標(biāo)點(diǎn)信息一同發(fā)送給移動節(jié)點(diǎn)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器。

ZigBee定位過程中參考節(jié)點(diǎn)工作流程如圖7所示。

圖7 ZigBee定位網(wǎng)絡(luò)路由器智能參考節(jié)點(diǎn)工作流程

4.3 智能移動終端節(jié)點(diǎn)軟件工作流程

1）智能移動終端節(jié)點(diǎn)上電初始化，申請加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2）待其成功入網(wǎng)后，會向道路周圍區(qū)域不斷廣播信號數(shù)據(jù)。

3）判斷是否有內(nèi)部集成的定位引擎數(shù)據(jù)接收，并從接收到的RSSI測距信息中提取ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由器智能參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息及參考節(jié)點(diǎn)和本移動節(jié)點(diǎn)之間的每一個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)RSSI值。

4）當(dāng)智能移動終端節(jié)點(diǎn)到達(dá)修正權(quán)重的加權(quán)定位質(zhì)心某一特定位置后，會將智能車輛轉(zhuǎn)彎、到站等相應(yīng)語音提示信息開啟。

ZigBee定位過程中智能移動終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖8所示。

圖8 ZigBee定位智能移動終端節(jié)點(diǎn)工作流程

5 實(shí)驗結(jié)果

為了驗證節(jié)點(diǎn)功能，對文中描述的基于CC2530的ZigBee智能車輛無線傳感定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)測試，實(shí)驗在市區(qū)內(nèi)復(fù)雜道路且車流較為密集的路況中進(jìn)行。每間隔120 m，在道路兩側(cè)各放置參考節(jié)點(diǎn)2個，在無線傳感器智能定位時，經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由器各智能參考節(jié)點(diǎn)對本節(jié)點(diǎn)前60 m及后60 m內(nèi)的動態(tài)參考點(diǎn)群組RSSI值進(jìn)行采集。實(shí)驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 RSSI定位測量與距離關(guān)系散點(diǎn)圖

本實(shí)驗分別在雨天、陰天、夜晚和晴天四種不同天氣狀況下進(jìn)行，測量結(jié)果表明，在晴天環(huán)境下行駛，RSSI定位測量誤差最小，雨天和夜晚誤差最大。在小于30 m的參考節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)對四種天氣狀況下系統(tǒng)定位，RSSI測量誤差均小于等于3.5 m；30 m后隨著參考節(jié)點(diǎn)距離增大，RSSI定位測量誤差基本呈線性上升趨勢，當(dāng)智能參考節(jié)點(diǎn)距離達(dá)60 m時，誤差達(dá)到峰值，陰天、夜晚、晴天和雨天分別為12.3 m，11 m，9 m，15 m。

6 結(jié) 論

在CC2530智能車輛無線傳感定位中，利用信號衰減原理提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能車輛無線傳感定位方法，研究并設(shè)計了利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)多動態(tài)參考點(diǎn)下的群組定位系統(tǒng)。在RSSI預(yù)濾波算法測距基礎(chǔ)上，特別注意了不同距離精度下RSSI定位時的無線信號傳播損耗問題，改進(jìn)和采用了一種基于傳統(tǒng)固定參考點(diǎn)模型下的修正權(quán)重加權(quán)定位質(zhì)心算法，提高定位測量精度，并利用LabVIEW平臺將無線傳感定位方法借助網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)驗驗證，RSSI定位測量誤差整體較小，在視距可接受范圍內(nèi)。同時，研究也發(fā)現(xiàn)RSSI定位節(jié)點(diǎn)與測量距離間存在一定線性關(guān)系，為進(jìn)一步提高定位測距精度，仍需大量實(shí)驗數(shù)據(jù)擬合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的信號衰減規(guī)律，通過天線優(yōu)化，減少方向性對復(fù)雜道路環(huán)境下車輛定位信號衰減的影響。