基于RSSI測距的室內(nèi)定位技術(shù)

摘要 搭建了基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以實(shí)驗(yàn)室樓道為室內(nèi)場景進(jìn)行了接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)測距和定位實(shí)驗(yàn)研究。首先對(duì)測距實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)使用線性回歸分析擬合出當(dāng)前環(huán)境的具體測距模型，并對(duì)信標(biāo)和未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于RSSI的定位算法。經(jīng)過定位實(shí)驗(yàn)精度評(píng)估，文中算法的平均定位誤差為2．3 m，滿足大多室內(nèi)場景要求。
關(guān)鍵詞 室內(nèi)定位；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；RSSI測距；線性回歸分析

隨著現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)、全球定位系統(tǒng)(Global PositionSystem，GPS)、普適計(jì)算、分布式信息處理等技術(shù)的迅速發(fā)展，位置感知計(jì)算和基于位置的服務(wù)(Location Based Setvices，LBS)在實(shí)際應(yīng)用中越來越重要。GPS是目前應(yīng)用最廣泛和成功的定位技術(shù)。由于微波易被濃密樹林、建筑物、金屬遮蓋物等吸收，因此GPS只適合在戶外使用，在室內(nèi)場合，由于信道環(huán)境復(fù)雜、微波信號(hào)衰減厲害、測量誤差大，GPS并不適用。近年來基于低成本、低功耗、白組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)定位技術(shù)得到了科研人員的重視和研究，具有廣泛地應(yīng)用前景。根據(jù)定位過程中是否實(shí)際測量節(jié)點(diǎn)間的距離，可將定位算法分為基于測距(Range-based)的定位和距離無關(guān)(range-free)的定位?；跍y距的定位先由未知節(jié)點(diǎn)硬件接收外部信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無線信號(hào)并記錄下TOA(Time of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)、RSSI(Received Signal strength Indicator)等測距度量值，然后將測距度量值轉(zhuǎn)為未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離或方位，然后再采用相關(guān)算法如三邊測量法、三角測量法、極大似然估計(jì)法等來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置。由于RSSI檢測設(shè)備和機(jī)制簡單，硬件成本低，實(shí)現(xiàn)簡單，可通過多次測量平均獲得較準(zhǔn)確的信號(hào)強(qiáng)度值，降低多徑和遮蔽效應(yīng)影響，因此基于RSSI測距的定位技術(shù)成為近年來室內(nèi)定位研究的熱點(diǎn)。

1 RSSI測距原理
無線信號(hào)傳輸中普遍采用的理論模型為漸變模型(Shadowing Model)。

式中，p(d)表示距離發(fā)射機(jī)為d時(shí)接收端接收到的信號(hào)強(qiáng)度，即RSSI值；p(d0)表示距離發(fā)射機(jī)為d0時(shí)接收端接收到的信號(hào)功率；d0為參考距離；n是路徑損耗(Pass Loss)指數(shù)，通常是由實(shí)際測量得到，障礙物越多，n值越大，從而接收到的平均能量下降的速度會(huì)隨著距離的增加而變得越來越快：X是一個(gè)以dBm為單位，平均值為0的高斯隨機(jī)變量，反映了當(dāng)距離一定時(shí)，接收到的能量的變化。
實(shí)際應(yīng)用中一般采用簡化的漸變模型

為便于表達(dá)和計(jì)算，通常取d0為1 m。于是可得
[p(d)]dBm=A-10nlg(d) (3)
把[p(d)dBm寫成RSSI的形式得到
RSSI=A-10nlg(d) (4)
其中，A為無線收發(fā)節(jié)點(diǎn)相距1 m時(shí)接收節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度RSSI值。式(4)就是RSSI測距的經(jīng)典模型，給出了RSSI和d的函數(shù)關(guān)系，所以已知接收機(jī)接收到的RSSI值就可以算出它和發(fā)射機(jī)之間的距離。A和n都是經(jīng)驗(yàn)值，和具體使用的硬件節(jié)點(diǎn)和無線信號(hào)傳播的環(huán)境密切相關(guān)，因此在不同的實(shí)際環(huán)境下A和n參數(shù)不同，其測距模型不同。

2 RSSI測距定位算法
基于RSSI測距的定位算法流程如圖1所示。