基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)RSSI的室內(nèi)無線定位技術(shù)

　　1 無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

　　在無線定位中，有基于測距和非測距兩種方式。前者需要測量相鄰節(jié)點(diǎn)間的絕對距離或方位，并利用節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置;后者無需測量節(jié)點(diǎn)的絕對距離或方位，而是利用節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置?；跍y距的算法主要包含以下幾種：三邊測量、三角測量、極大似然估計(jì)等;基于非測距的算法主要有質(zhì)心算法、DV-Hop算法、D_distance算法、凸規(guī)劃算法等。對定位算法的性能評價指標(biāo)主要有定位精度、節(jié)點(diǎn)密度、容錯和自適應(yīng)性、功耗和代價、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等幾個部分。綜合以上因素以及結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備，本文選用基于RSSI測距的定位方式。其流程圖如圖1所示。

　　從圖1可以看出定位由兩部分組成：一是通過RSSI測距;二是根據(jù)距離以及參考節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算盲節(jié)點(diǎn)位置。

　　2 RSSI測距模型

　　2.1 模型確立

　　無線信號傳輸中普遍采用的理論模型為Shadowing模型。該模型為：

　　式中：do是參考距離;po是距離為do時接收到的信號強(qiáng)度，其中還包含了遮蔽外衰減或環(huán)境造成的損耗參考(中值);d是真實(shí)距離;ζ是以dB為單位的遮蔽因子，其均值為O，均方差為σdb(dB)正態(tài)隨機(jī)變量;p是接收信號強(qiáng)度;n是路徑損耗指數(shù)，它的值依賴于環(huán)境和建筑物的類型。在實(shí)際測量中，選用以下的模型：

　　即不統(tǒng)計(jì)遮擋因子對RSSI的影響，在實(shí)際環(huán)境下對RSSI影響最大的是非視距的影響。其中，射頻參數(shù)A被定義為用dBm表示的距離發(fā)射器1 m接收到的平均能量絕對值，也就是距發(fā)射節(jié)點(diǎn)1 m處的接收信號強(qiáng)度;n為信號傳輸常數(shù)，與信號傳輸環(huán)境有關(guān);d為距發(fā)射節(jié)點(diǎn)的距離。

　　2.2 參數(shù)優(yōu)化

　　在使用A和n進(jìn)行距離計(jì)算時，首先要面臨的一個問題是A和n的取值問題。A和n的取值不同，對測距的誤差影響很大。為了使模型能夠盡量真實(shí)地反映出當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境中的傳播特性，保證RSSI測距的精度，需要對A和n進(jìn)行優(yōu)化，得到最適合該室內(nèi)環(huán)境情況的參數(shù)值。

　　通過線性回歸分析來估計(jì)參數(shù)A和n的值，假設(shè)從室內(nèi)環(huán)境得到的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)為(RSSIi，di)，i=1，2，…，n，RSSIi表示在距離di上所對應(yīng)的RSSI測量值。

　　以實(shí)驗(yàn)室走廊為例，測得100組數(shù)據(jù)，代入上述公式得出A=4l，n=2.3。圖2是參數(shù)優(yōu)化后的RSSI測距模型曲線。在圖中可以看出，根據(jù)線性回歸分析可以很好地?cái)M合出適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的模型曲線。

　　2.3 RSSI濾波處理

　　信號強(qiáng)度的定位算法中信號強(qiáng)度值隨環(huán)境的改變有很高的靈敏度，這會限制測量的準(zhǔn)確度。事實(shí)上信號強(qiáng)度與距離之間的關(guān)系很不讓人滿意，在環(huán)境中存在很大的波動性。在室內(nèi)環(huán)境下實(shí)測得到的RSSI與節(jié)點(diǎn)間距離的關(guān)系曲線如圖2所示。當(dāng)傳輸距離較近的時候，RSSI值衰減得較快;當(dāng)傳輸距離越遠(yuǎn)，衰減得越慢，接收強(qiáng)度對傳輸距離的變化表現(xiàn)不明顯。在實(shí)際中，某一時間段內(nèi)接收節(jié)點(diǎn)可以收到n個RSSI值，由于非視距和多徑的影響，導(dǎo)致這些RSSI值具有很大的波動性，在代入公式進(jìn)行計(jì)算之前，先進(jìn)行濾波處理，得到一個比較準(zhǔn)確的值，然后再進(jìn)行計(jì)算。

　　本文采用高斯濾波模型進(jìn)行RSSI濾波。引入高斯模型進(jìn)行處理的原則是：在自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象中，大量隨機(jī)變量都服從或近似正態(tài)分布，如材料性能、零件尺寸、化學(xué)成分、測量誤差、人體高度等。

　　高概率發(fā)生區(qū)，選擇概率大于O.6(O.6的取值是根據(jù)工程中的經(jīng)驗(yàn)值)的范圍。經(jīng)過高斯濾波后，RSSI的取值范圍為[0.15σ+μ，3.09 σ+μ]。其中：

　　把該范圍內(nèi)的RSSI值全部取出，再求幾何平均值，即可得到最終的RSSI值。

　　在d=1 m處，采集50組RSSI值，進(jìn)行高斯濾波處理。

　　如圖3所示，濾波前RSSI波動比較大，濾波后比較平滑。濾波前|RSSI|的平均值為38.9，計(jì)算距離d=O.71 m;濾波后|RSSI|的平均值為39.42，計(jì)算距離d=O.81 m。顯然，高斯濾波能很好地提高測距精度。

　　3 定位算法

　　假設(shè)無線定位網(wǎng)絡(luò)中有N個已知位置的參考節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)為(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xN，yN)，RSSI測量值為(RSSI1，RSSI2，…，RSSIN)。通過利用無線信號傳播衰落模型計(jì)算得到待定位節(jié)點(diǎn)到四個已知位置的參考節(jié)點(diǎn)的距離為R1，R2，…，RN，則可以得到以下方程：

　　最終定位算法的研究就是求解該方程。在求解(x，y)過程中，選用基于泰勒級數(shù)展開迭代法進(jìn)行計(jì)算。選用泰勒級數(shù)的原因基于以下幾個方面：

　　(1)無需提供測距差測量值誤差的先驗(yàn)信息。

　　(2)可以應(yīng)用于兩個以上數(shù)目距離差測量的定位估計(jì)。

　　(3)對距離差統(tǒng)計(jì)沒有特殊要求。

　　(4)在適當(dāng)?shù)木嚯x差噪聲水平上提供較準(zhǔn)確的定位估計(jì)。

　　使用泰勒級數(shù)進(jìn)行定位計(jì)算，首先面臨的一個問題即泰勒級數(shù)展開需要一個與實(shí)際位置差距不大的初始值，初始值的選擇越接近真實(shí)值，越可以保證算法的收斂性以及實(shí)時性。本文采用極大似然估計(jì)法來獲取初始值，求得初始值公式為：

　　式中：

　　根據(jù)取得的值作為Taylor級數(shù)展開的循環(huán)初值，然后用Taylor級數(shù)展開，進(jìn)行矩陣計(jì)算，并反復(fù)迭代求精，直到誤差滿足預(yù)先設(shè)定的門限，得出最終的位置坐標(biāo)。

　　式中：

　　在每一次遞歸中，令

　　4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室走廊(4 m×30 m)進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。選用的是ZigBee硬件平臺作為通信平臺，該平臺CC2431自帶定位引擎，可以實(shí)現(xiàn)位置估計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)比較兩種算法的差異。

　　CC2431使用的三邊測量法進(jìn)行位置計(jì)算，采用均值濾波對RSSI進(jìn)行濾波處理。ZigBee開發(fā)平臺如圖5所示。

　　在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中布置4個節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，位置分別定義為(O，0)，(0，4)，(30，O)，(30，4)。確定A和n的值，實(shí)驗(yàn)