湖泊岸邊移動物體的定位技術研究

王維虎， 劉延申

(1.漢口學院 計算機科學與技術學院， 武漢 430212;2.華中師范大學 教育信息化研究中心， 武漢 430079)

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湖泊岸邊移動物體的定位技術研究

王維虎1*， 劉延申2

(1.漢口學院 計算機科學與技術學院， 武漢 430212;2.華中師范大學 教育信息化研究中心， 武漢 430079)

目前，湖泊污染已經成為中國各個城市迫切解決的問題，其中湖泊的監管至關重要，關鍵是要及時確定事件發生的位置，即定位問題，來進行預防與治理.本文提出了一種基于物聯網的湖泊污染預防的技術，首先介紹藍牙Bluetooth技術中的接收信號強度指示(RSSI)測距法基本原理；然后運用德州儀器(TI)公司的CC2540芯片做仿真實驗，建立湖泊岸邊移動物體的距離與RSSI值相關的數學模型，據此來設計其定位算法，對湖泊岸邊的移動物體進行定位監控，能夠在一定程度上對湖泊起到保護作用.

湖泊污染; 藍牙; RSSI; 定位

湖泊是一種重要的地表水資源.城市湖泊往往是當地市民休閑游玩的首選地，甚至成為全國聞名的風景名勝區.然而，隨著全球氣候變暖和人類活動的加劇，湖泊及其水資源的不合理開發利用，使我國湖泊面臨著嚴峻的環境問題.據報告，我國主要湖泊80%已經受到污染，其污染主要來源于生活領域、旅游領域和工業領域，其主要污染物為總磷、氨氮等，因此解決環境保護的問題迫在眉睫.在這種背景下，智能環保領域應聲而起，其中湖泊環保至關重要，即用先進的物聯網技術來實現智能的湖泊監測與管理，最為關心的問題是就是事件發生的位置，即定位問題.

定位技術是無線傳感網絡中多種應用的支撐技術，而基于距離的定位技術是通過測量相鄰節點之間的實際距離或方位來實現定位的.其中，基于RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信號強度指示)的測距是無線傳感網絡中經常采用的一種定位技術.

本文采用德州儀器TI公司的CC2540芯片，遵循藍牙(BlueTooth)標準，利用無線傳感網絡中的傳感器節點定位技術，對湖泊岸邊的移動物體(尤其是游人和車輛)，進行實時監測與定位，來預防某些污染湖泊環境，比如游人在休閑娛樂時，不經意之間將垃圾丟擲于湖里、工地渣土車違禁施工填湖等不文明行為事件的發生，在一定程度上能夠實現智能的湖泊管理.

1藍牙的RSSI測距原理

藍牙(Bluetooth)，作為一種新的短距離無線通信技術標準，受到了全世界越來越多工業界生產廠家和研究機構的廣泛關注.它可以支持物體與物體之間的通信，工作頻段是全球開放的2.4 GHZ頻段，可以同時進行數據和語音傳輸，傳輸速率可以達到10 Mb/s，使得在其范圍內的各種信息化設備都能實現無縫資源共享.

通常，在RSSI測距中，已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據收到信號的強度，計算出信號在傳播過程中的損耗，利用信號衰減(如下所示)和傳輸距離之間的關系計算出距離，最后利用定位算法計算出未知節點的位置.

在自由空間中，電磁波傳播損耗(衰減)公式如下：

LOS=32.44+20lgd(km)+20lgf(Hz)，

(1)

其中，LOS為傳播損耗，單位為db；d為傳輸距離，單位為KM；f為工作頻率，單位為Hz.

本文從實驗角度出發，選取藍牙信號源為例，但由于藍牙發射信號功率調整會影響通信距離，以及湖泊岸邊自身的特點，采用以德州儀器TI公司CC2540芯片為基礎，選擇4 dBm發射功率，按無線電功率定義：

L(dBm)=10lg(Pwr/1mW)，

(2)

則4 dBm分貝值換算成瓦特為2.51 mW，有效通信距離為30 m，能夠有效覆蓋湖泊岸邊的范圍.因此通過測出在已知距離上的RSSI值來建立RSSI與距離之間的關系數據庫.

2湖泊岸邊移動物體的測距與定位實驗

2.1湖泊岸邊RSSI測距的實驗模型

本項目主要對湖泊岸邊周圍移動物體(游人和車輛)的定位，采用實驗器材為2塊CC2540芯片，主設備固定位置，主芯片發射功率為4 dBm(2.51 mW)，有效通信距離分別為30 m，向從設備(模擬帶有開啟藍牙智能手機的游人)發送信號，從設備LED光和Buzzer報警為通信成功，逐次移動從設備，而獲取RSSI值隨物理距離之間的關系.實驗模擬圖，如圖1所示.其中，CC2540節點1為發送信號節點，無線藍牙方式與計算機相連；CC2540節點2為接收信號節點.通過無線信道發送信息給接收信號節點，然后通過計算機中的BTooL軟件進行抓包分析與處理，如圖2所示.

圖1 湖泊模擬實驗連接圖Fig.1 Simulating the wireless network around the lake shore

圖2 藍牙抓包軟件BTooLFig.2 Bluetooth packet capture software BTooL

開始測量時，以圖2湖泊模擬實驗連接圖為基礎，以其為中線，每隔1 m逐次移動“CC2540節點2”,在每個位置測量5次RSSI值，取其平均值，如表1所示，由此來建立兩個CC2540節點之間的RSSI值與距離之間的關系數據庫.

表1 湖泊岸邊RSSI測量值表Tab.1 RSSI measurement around the lake shore

2.2RSSI取值算法

簡單分析以上數據表1，可以發現，在湖泊岸邊所測的RSSI采樣值基本上呈現“隨著兩者距離的增大，值逐漸減少”，但是部分位置測量的值沒有遵循該規律，即有個別的脈沖干擾引起極大值和極小值的出現，其他采樣數據值沿平均值分布，這與周邊的各種物體影響因素是有關的.

為了提高RSSI采樣值的精度.這里采用滑動防脈沖干擾平均濾波算法(Moving Average Filter)進行改進，其基本原理：對連續的n個RSSI數據進行排序，去掉其中最大和最小的2個數據，將剩余數據求平均值.

例如，對于有n個非平穩數據{RSSIi}，視每m個相鄰數據作為一個小區間，進行排序，同時去掉最大和最小的2個數據，并小區間內是平穩的，即其平均值接近于常量.于是，可取每m-2個相鄰數據的平均值，來表示該m個數據中的任何一個的取值.通常多用該平均值來表示其中點數據的測量結果，如果m等于5，并用均值代替5個點數據最中間的一個就有下式：

RSSI3=1/(5-2)(RSSI2+RSSI3+RSSI4)，

其中，RSSI1、RSSI5分別為最小值和最大值被去掉.

同理，

RSSI4=1/(5-2)(RSSI3+RSSI4+RSSI5),

其中，RSSI2、RSSI6分別為最小值和最大值被去掉.

以此類推，可得一般表達式：

(k=n+1，n+2，…,N-n， 2n+1=m).

在一般CC2540的應用中，為了加快數據處理速度，對于具有較快速度的處理器，n值可以適當取大一些，最好是n=2k+2(k為整數).

圖3為未采用算法和采用該算法的對比折線圖.顯然采用滑動防脈沖干擾平均濾波算法所測的RSSI采樣值更加接近于實際的理論值，并呈現出近似對數函數的變化趨勢.

圖3 湖泊岸邊RSSI值對比的折線圖Fig.3 Comparison of two kinds of RSSI algorithm around the lake shore

2.3函數關系的確定

根據圖3(b)中的數據集合，采用對數函數曲線模擬，令X表示RSSI值，Y表示距離Distance，兩者之間的函數關系，表示如下：

Yi=a0+a1ln(xi)，

(3)

其中,a0、a1是任意實數.

(4)

將(3)代入(4)中得到

(5)

y=-5.3487lnx+213.78.

同理，再將CC2540接收信號節1的位置調整至湖泊岸邊其它放置該節點的位置Li(i=1，2,3,…)(湖泊岸邊的其他位置，用矩形描述)，保證其它前提條件不變，以此類推，通過分別測量CC2540接收信號節點2在各個不同位置Li的RSSI值來建立在該位置上接收的RSSI值與距離Distance之間的關系數據庫，進一步得出兩者之間的函數計算公式.

3湖泊岸邊移動物體定位算法的設計

假設3個CC2540傳感器節點A、B和C的平面坐標分別是(X1，Y1)、(X2，Y2)和(X3，Y3)，如圖4所示.

圖4 湖泊岸邊移動物體定位模型Fig.4 Location model of moving objects around the lake shore

通過前面RSSI值測距法，得到未知節點D到達3個發送信號主設備節點A、B和C的RSSI值分別是RSSI1、RSSI2和RSSI3，根據已知的RSSI值與距離Distance之間的函數關系，可以分別計算出未知節點D到達3個發送信號主設備節點A、B和C的距離dn(n=1，2，3)，然后利用“三邊測量法”，求出未知節點D的坐標.

假設D的坐標為(X，Y)，那么存在下列公式：

(6)

根據公式(2)可知，由于未知節點D與各個傳感器節點A、B和C之間的距離dn(n=1，2，3,…,11)已經求出，所以可以得到未知節點D的坐標如下：

(7)

4總結

湖泊污染問題，已經得到中國的重視.湖泊的監管至關重要，但要及時找到事件發生的地點卻存在困難.本文采用物聯網中的藍牙技術Bluetooth，利用RSSI測距法，采用德州儀器TI公司的CC2540芯片做仿真實驗環境，建立起湖泊岸邊移動物體的距離與RSSI值對應的數學函數模型，采用三邊定位算法，能夠高效地確定事件發生的位置，對湖泊污染和湖泊保護能夠起到較好的預防作用.

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The research of location of moving objects around the lake shore

WANG Weihu1， LIU Yanshen2

(1.Computer Science and Technology Institute, Hankou University, Wuhan 430212;2.Center of Education Information Research， Central China Normal University， Wuhan 430079)

At present， the pollution of lakes have become very important in China， meanwhile management of lake is very critical. The key is that determines the location of the incident. The paper firstly introduces Bluetooth and RSSI ranging method in the Internet of Things. Then using some CC2540 chips by TI company，it establishes a math function between distance and RSSI coming from moving objects around the lake shore .According to it， a location algorithm is designed. After some experiments， it is high accurate to position anything．

lake pollution； Bluetooth； RSSI； location

2014-03-29.

國家支撐計劃項目(2012BAK02B06/00).

1000-1190(2014)04-0516-04

X524

A

*通訊聯系人. E-mail: wangweihu80@163.com.