李偉+蘭萍+李萬民

摘要：該文為了提高室內(nèi)定位的精準(zhǔn)度，主要研究分析了RSSI定位測距方法，利用ZigBee模塊進(jìn)行RSSI測距定位系統(tǒng)的研究，運用測距模型進(jìn)行了試驗驗證，得出了基于RSSI測距的室內(nèi)環(huán)境定位方案。

關(guān)鍵詞：ZigBee；室內(nèi)；RSSI測距

中圖分類號：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）29-0233-02

1 概述

隨著無線通信技術(shù)不斷進(jìn)步提高，室內(nèi)環(huán)境定位技術(shù)成為了研究的熱點。室內(nèi)環(huán)境定位技術(shù)基于小范圍的定位網(wǎng)絡(luò)，定位方法有：三角測量、最大似然估計和RSSI測距等方法。本文對RSSI測距進(jìn)行了研究。并以實驗為依據(jù)，對RSSI的測距模型進(jìn)行驗證，經(jīng)驗證理論模型和實際測得的結(jié)果相差平均值是1.37m，在一定的容錯范圍內(nèi)本文是可以為無線局域網(wǎng)中定位算法的研究提供指導(dǎo)的。

2 RSSI測距定位算法

在室內(nèi)環(huán)境中，設(shè)置n個固定節(jié)點（固定節(jié)點位置已知，n大于等于2），定位節(jié)點設(shè)置一個。定位節(jié)點在一個很小的周期時間T內(nèi)，周期性的向固定節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)信號，對固定節(jié)點收到的所有數(shù)據(jù)信號所對應(yīng)的RSSI值求平均值，根據(jù)得到的RSSI平均值通過RSSI測距模型求出此固定節(jié)點到定位節(jié)點的距離d。在這個周期時間內(nèi)對n個固定節(jié)點處理方式相同，計算處理后可得n個固定節(jié)點到定位節(jié)點的距離d值，根據(jù)坐標(biāo)距離公式可得如下關(guān)系式：，其中，（x，y）為定位節(jié)點坐標(biāo)，是第n個固定節(jié)點的坐標(biāo)，是定位節(jié)點到第n個固定節(jié)點的距離。根據(jù)此關(guān)系式可以建立n個固定節(jié)點與定位節(jié)點距離方程，通過數(shù)學(xué)方法處理可解得定位節(jié)點坐標(biāo)，達(dá)到定位目的。每個周期時間處理方式同第一個周期，這樣使定位節(jié)點隨著位置移動變化而進(jìn)行定位更新。

3 RSSI測距模型建立

RSSI是信號強(qiáng)度接受端接收到的信號強(qiáng)度，直接反映出信號的強(qiáng)弱。一般來說，無線信號發(fā)射裝置的信號發(fā)設(shè)功率是固定的，但信號接收裝置得到的信號強(qiáng)度會隨著與發(fā)射裝置的距離增加而減弱，根據(jù)這一特點，我們可以初步研究信號強(qiáng)度變化（RSSI值）與信號傳播距離遠(yuǎn)近的變化。如下圖1為某封閉區(qū)域?qū)嶒灲y(tǒng)計所得出的數(shù)據(jù)，可以看出，在距離比較近（0 m-4m）的情況下，RSSI測量值隨距離的波動較大，4m后波動比較穩(wěn)定，整體圖形的大致規(guī)律為：RSSI測量值隨著距離的增加而變小。

對圖1中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析我們可以初步使用下面這個RSSI測距模型：

上式模型中，表示RSSI值，即距離為時接收單元測量得到的信號強(qiáng)度。表示距離為參考距離時接收節(jié)點測得的信號強(qiáng)度。是一個參考值，據(jù)環(huán)境的情況而定。是信號損耗指數(shù)，實際運用中，由環(huán)境中測量得到，障礙物越多，n值越大，從而接收到的信號強(qiáng)度損耗會隨著距離的增加而變得越來越多。為距離估計誤差，此變量接近于0。是一個高斯隨機(jī)變量，它表示一定距離時，信號強(qiáng)度微弱的變化量，此變量接近于0。

實際運用中，此模型過于復(fù)雜，因此對模型簡化，取1m時，求得參考距離1m時接收節(jié)點測得的信號強(qiáng)度值為K，并且各微小元素忽略不計，則簡化模型如下：

在運用此模型進(jìn)行定位時，不同環(huán)境下k、n變化較大，需要重新確定k和n的值，并且，由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜多變，所以定位誤差較大，定位效果極有可能達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果。

4 定位實驗

對實驗區(qū)域建立平面直角坐標(biāo)系并布置16個固定節(jié)點，每個固定節(jié)點分別放一個zigbee終端模塊用于接受并采集信號強(qiáng)弱的數(shù)據(jù)。

通過初實驗確定k、n值，得出固定節(jié)點與定位節(jié)點的距離和RSSI值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。通過誤差分析實驗找到定位誤差。

4.1 初實驗過程及記錄

固定節(jié)點工作正常后，將定位節(jié)點隨機(jī)放入實驗區(qū)域某一位置，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，對固定節(jié)點分別通過移動定位節(jié)點測得兩組f（d）（RSSI值）和d值，則有方程組 ，由此可解出一組k和n值，對16個固定節(jié)點分別如此操作可以測得16組k和n的值，圖2、圖3分別為16個固定節(jié)點測得的數(shù)據(jù)建立方程組求得的k值、n值。由計算可以得到k和n的平均值分別為-42.8、1.9，則可以確定環(huán)境中RSSI值和固定節(jié)點與定位節(jié)點的距離之間的關(guān)系式則為：

4.2 誤差分析實驗

由初實驗的結(jié)果可以看出，本文用RSSI值和固定節(jié)點與定位節(jié)點的距離之間的關(guān)系確立了數(shù)學(xué)關(guān)系式。在這個關(guān)系式的基礎(chǔ)上，用誤差分析實驗進(jìn)行驗證。通過定位節(jié)點實際位置與定位結(jié)果顯示位置對比，若誤差較小，則說明RSSI測距定位在室內(nèi)環(huán)境中可行。反之，則不可行。

對實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計計數(shù)，得到定位節(jié)點實際位置和定位顯示結(jié)果位置，試驗結(jié)果如下表1所示。從下表1中可以看出實驗誤差大致控制在0m到2.37m，平均誤差為1.37m。（誤差=，、分別為定位節(jié)點實際位置的橫縱坐標(biāo)，、分別為定位顯示結(jié)果位置橫縱坐標(biāo)）。

4.3 實驗分析與評價

根據(jù)上面實驗及結(jié)果可以看出，RSSI測距定位技術(shù)的誤差不可避免，但平均誤差較小，為1.37m。在室內(nèi)定位應(yīng)用中，此種定位方案可行。

該實驗的缺點為：受環(huán)境因素影響較大，儀器精準(zhǔn)度不夠。該實驗的優(yōu)點為：實驗過程較為簡單，所需成本低、耗能低，且誤差在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文對室內(nèi)環(huán)境定位算法進(jìn)行了研究，在選取測距方法時，采用了RSSI測距并建立了數(shù)學(xué)模型。以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了實驗驗證，在區(qū)域面積較小的情況下定位平均誤差為1.37m。這種定位方法對大多數(shù)室內(nèi)環(huán)境的定位適用，給室內(nèi)定位技術(shù)提供了一種很好的方案。

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