基于RSSI測距的室內(nèi)定位技術(shù)
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節(jié)點定位采用極大似然估汁算法。已知n個信標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)分別為(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)，未知節(jié)點坐標(biāo)為(x，y)，算法具體步驟如下：
(1)信標(biāo)節(jié)點周期性向未知節(jié)點發(fā)送包含自身ID和自身位置信息的數(shù)據(jù)包。
(2)未知節(jié)點在收到同一ID信標(biāo)節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，從中提取出收到陔幀數(shù)據(jù)的信號強(qiáng)度值RSSI，當(dāng)收到某個ID信標(biāo)節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包超過一定閾值(實驗設(shè)置為100)后，對這100個RSSI值求平均值，得到最終的該ID信標(biāo)節(jié)點的RSSI值，然后使用RSSI測距公式RSSI=A-10nlg(d)導(dǎo)出距離d，這樣就得到了未知節(jié)點和某ID信標(biāo)節(jié)點的距離。對所有信標(biāo)節(jié)點都采用這種方法進(jìn)行處理，得到n個距離d1，d2，…，dn。最后未知節(jié)點記錄下所有信標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)和對應(yīng)的距離數(shù)據(jù)。
(3)建立信標(biāo)節(jié)點與未知節(jié)點距離方程組
該方程為非線性方程組，用方程組中前n-1個方程減去第n個方程后，得到線性化的方程
AX=b (6)
其中
式(7)便是未知節(jié)點的坐標(biāo)計算值。
3 RSSI測距實驗和定位實驗
由圖1可以看出基于RSSI測距的定位算法需要根據(jù)式(4)將測距度量值RSSI轉(zhuǎn)為未知節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的距離后，才能進(jìn)行定位計算，因此必須先確定式(4)中的A和n參數(shù)的值，從而建立準(zhǔn)確的室內(nèi)測距模型。測距模型的精確度在較大程度上會影響后續(xù)定位計算的精度。一般室內(nèi)無線環(huán)境復(fù)雜，存在多徑效應(yīng)與非視距傳輸，一個確定的信號傳播模型無法適應(yīng)不同的室內(nèi)環(huán)境，因此為了得到較為準(zhǔn)確的RSSI和d距離之間的映射關(guān)系，提高定位計算精度，要針對需要定位室內(nèi)環(huán)境，實地進(jìn)行RSSI測距實驗并采集大量數(shù)據(jù)，之后對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而得到A和n的最優(yōu)值，建立符合當(dāng)前環(huán)境的測距模型。一旦環(huán)境改變，需要通過重新測距實驗來確定測距模型。
3．1 RSSI測距實驗
選擇實驗室樓道作為室內(nèi)定位技術(shù)研究實驗場景，所以RSSI測距實驗也在實驗室樓道進(jìn)行。定位和測距實驗平臺選擇西安華凡公司HFZ-CC2430ZDKZigBee開發(fā)套件。在兩個HFZ-Smart-RF04EB母板上插入HFZ-CC2430EM射頻模塊作為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)節(jié)點。兩個節(jié)點的核心芯片為TI公司的CC2430無線單片機(jī)。CC2430芯片支持RSSI監(jiān)測功能，在接收到的每幀數(shù)據(jù)中都有相應(yīng)的字段指示了接收機(jī)收到該數(shù)據(jù)包的信號強(qiáng)度值RSSI。該值可以通過編程讀出。
在樓道中央處選擇一個固定位置放置好發(fā)射機(jī)節(jié)點，發(fā)射機(jī)的輸出功率編程設(shè)置為0 dBm。發(fā)射機(jī)固定后，對接收機(jī)進(jìn)行編程，以20 cm為間隔，在距離發(fā)射機(jī)20 m的范圍內(nèi)設(shè)置100個測量點，即距離發(fā)射機(jī)0．2 m，0．4 m，…，20 m等位置。對接收節(jié)點編程，設(shè)置一個RSSI值緩存區(qū)存儲接收到的數(shù)據(jù)包的RSSI值，在每個測試點接收100個數(shù)據(jù)包后，對100個RSSI值求平均值，再以平均后的RSSI值作為接收節(jié)點在該位置收到的信號強(qiáng)度。最后記錄RSSI和d的對應(yīng)關(guān)系，這樣就得到了100組測量數(shù)據(jù)(RSSIi，di)，i=1，2，3，…，100，其中RSSI，表示距離為di時的RSSI測量值。將采集到的數(shù)據(jù)在二維坐標(biāo)系中描出，如圖1所示。從圖中可以看出RSSI隨著d的增加呈下降趨勢，在12 m以內(nèi)曲線下降比較陡，超過12 m后，有一定程度的回升，并且下降趨于平緩。
3．2 測距模型參數(shù)優(yōu)化
為使模型能夠最大程度符合當(dāng)前實驗室樓道環(huán)境中的無線信號傳播特性，使RSSI測距能獲得更高的精度，需要對參數(shù)A和n進(jìn)行優(yōu)化，得到當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境下的最優(yōu)值。一般通過線性回歸分析來估計參數(shù)A和n的值，因為RSSI值在超過14 m以后基本趨于平緩，不再符合接收信號強(qiáng)度隨著距離增大而衰減的規(guī)律。所以為保證測距精度，對在實驗室走廊所采集的前70組測量數(shù)據(jù)，即14 m以內(nèi)的測量數(shù)據(jù)(RSSIi，di)，i=1，2，3，…，70使用線性回歸分析，代入式(8)～式(12)，得出A=-42，n=2。這樣就得到了實驗室樓道環(huán)境下的測距模型RSSI=-42-20lg(d)。圖2所示為參數(shù)優(yōu)化后的RSSI測距模型曲線，根據(jù)線性回歸分析可以較好地擬合出適應(yīng)當(dāng)前實驗環(huán)境的模型曲線。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/193403.htm
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