基于Zigbee及RSSI的養(yǎng)老院室內(nèi)定位系統(tǒng)的開發(fā)

張鳳英

摘要 我國人口老齡化狀態(tài)日益嚴重，未來養(yǎng)老院養(yǎng)老勢必成為主流。本文針對養(yǎng)老院場地較大，老人發(fā)生安全問題時，人員無法及時定位救助的問題，設計了一種基于Zigbee技術的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)。本設計采用TI公司的CC2530芯片作為系統(tǒng)核心，基于Z-STACK協(xié)議棧，使用IAR軟件平臺開發(fā)。經(jīng)實際測試該定位系統(tǒng)易于操作、精度較高，是一種適應性較強的定位系統(tǒng)。

【關鍵詞】Zigbee 室內(nèi)定位CC2530 RSSI

1 引言

近年來，隨著生活水平的日益提高及醫(yī)療技術的不斷發(fā)展65歲以上的老齡化人口越來越多，養(yǎng)老方式成為社會研究的重要課題，這其中養(yǎng)老院養(yǎng)老成為越來越多老齡人口選擇的養(yǎng)老方式，老年人隨著年齡增長慢慢會得的老年病，典型的阿茲海默癥，失智癥，在老年群體越來越嚴重。所以對于在養(yǎng)老院養(yǎng)老的老齡人口進行及時定位救助非常有必要。ZigBee技術是一種易于施、能耗低、復雜度低、花費低的無線通信技術。基于ZigBee的定位方式所采納無線射頻信號能夠進行較為健壯的傳輸，是一種較為穩(wěn)定的系統(tǒng)。再者ZigBee更多的關注于低數(shù)據(jù)傳輸速率，其更加適用于節(jié)點個數(shù)多、分布區(qū)域廣、所處環(huán)境復雜等特點的定位需求。

2 系統(tǒng)整體設計

2.1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

與其他定位網(wǎng)絡架構(gòu)相比較，ZigBee定位網(wǎng)絡在鋪設己知錨節(jié)點和需求取未知節(jié)點外，還需要協(xié)調(diào)器（網(wǎng)關）這關鍵一環(huán)才能構(gòu)建并達成設計目的。網(wǎng)關是整個系統(tǒng)中的重要角色，首先它需要能夠響應主機發(fā)出的命令，打開網(wǎng)絡，等待其他類型節(jié)點訪問網(wǎng)絡，并接收節(jié)點發(fā)送回來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行處理。對錨節(jié)點而言是無法移動節(jié)點，其各自的位置參數(shù)是已明確設置的。它的任務是獲取包括RSSI參數(shù)等定位相關參數(shù)并對所需參量采取合理算法進行處理。最后，發(fā)送盲點填充的參數(shù)均值后，發(fā)送盲點填充參數(shù)，將協(xié)調(diào)器返回到上位計算機軟件處理。而且能起到鏈路路由的作用進行數(shù)據(jù)中繼。盲節(jié)點是可在錨節(jié)點的物理范圍內(nèi)隨機移動的非固定節(jié)點，定位的目的是獲取本類節(jié)點的坐標參數(shù)。

2.2 定位系統(tǒng)方法研究

基于RSSI（接收信號的強度指示值）的定位方法是一種普遍適用的方法，節(jié)點依據(jù)接收信號的強度指示值與傳送距離的相合映射關系（函數(shù)關系式）得到距離參數(shù)。這是定位流程中最為核心的環(huán)節(jié)，必須在完成了這一核心環(huán)節(jié)后，進而調(diào)用其他各類定位算法計算盲節(jié)點的位置信息。

2.2.1 理想測距模型

理想狀況下，RSSI是接收雙方間所傳輸功率和距離的映射關系。接收信號強度一般為負值隨著距離的增加而減少。下面公式4.1給出了RSSI與距離d的理想關系。該式中，λ為信號傳播常量，也稱為傳播指數(shù);d是信號放射距離。A是在1m處的接收信號強度值。

RSS/（d）=-（lOλlgd+A）

（1）

在實驗室環(huán)境下為了獲取一個有實際意義的理論關系式，在環(huán)境中的多個位置布設兩個節(jié)點間距1米情況下，測試10次RSSI值，取平均值得到A，則n取1～5一個數(shù)值的時候，可以繪制接受信號強度值的擬合曲線。通過曲線得到RSSI和距離的關系式。其他盲節(jié)點信號強度值可以通過這些關系轉(zhuǎn)換為相應的距離d。在得到距離信息后，使用某種基于距離的定位幾何數(shù)學算法即可得到坐標完成任務要求。

2.2.2 模型參數(shù)優(yōu)化

在通過協(xié)議棧獲取改進的RSSI參數(shù)值后，緊接著把RSSI值用響應算法對應程序語言實現(xiàn)距離的轉(zhuǎn)化。對于封閉建筑這類復雜度較高的空間場景而言，已有的自用空間模型等模型已不在符合，一種基于統(tǒng)計學模型的對數(shù)路徑損耗模型是目前較為常用的模型，它已實現(xiàn)于多樣化實際區(qū)域中取得證實，其通用模型為下式：

在公式中，RS（d）代表距離發(fā)射點d（單位：m）處接收到的RSSI值，測量值在運算時可使用絕對值。RS（do）代表距離發(fā)射點do處接收到的RSSI值，也稱參考衰減RSSI（ReceivedSignal Strength Indication）值，其中do稱為參考距離，一般情況下取一米。λ為路徑動態(tài)衰減指數(shù)，表示信號依據(jù)傳送距離的增加其功率的衰減速度，該值與所處環(huán)空間因素有很大關系，取決于現(xiàn)場區(qū)域的類型。ξ來表示一個均值為0、標準差為σ的高斯分布隨機噪聲，其在不同室內(nèi)場景下的賦值也是有差異一般在3.0到14.0 dB。

則由上面公式推算得到盲節(jié)點與錨節(jié)點的距離d為：

式中RS（d）、λ和ξ稱為模型參數(shù)值，三個實參一起決定距離的最終求取值。為提高使用性一般情況下采用多次測量多種環(huán)境下參數(shù)值進行賦值。此次方案可移植性杰出，在實際場景改動后不必對常量重新測量后系統(tǒng)設置模型參數(shù)值，而依托自身算法重新給定參數(shù)。

2.2.3三邊定位算法

基于RSSI的三邊定位算法是未知點的己知三點坐標和RSSI的信號值，這三個點被解決，未知坐標被求解。第一種是將RSSI信號值轉(zhuǎn)換為從未知點到三點的距離，剩下的是解決未知點坐標問題。我們都知道，兩個圓將在一個或兩個點相交（如果相交），那么三個圓，如果它們相交，必然會在一個點相交（這里不考慮三個檢測裝置在直線上有兩點相交）所以我們需要解決的盲節(jié)點是以三個己知節(jié)點為中心繪制的三個圓的交點，以及它們與未知節(jié)點的距離作為半徑，如圖1所示。然后，坐標求解轉(zhuǎn)化為找到三個己知圓的交集，然后根據(jù)圖形幾何關聯(lián)求方程。

在實際應用過程中，很多時候存在導致三個圓也許無法匯聚一點，假設移動節(jié)點僅在參考節(jié)點的物范圍內(nèi)活動，則會產(chǎn)生如圖2所示的四種情形，所以在實際操作中，首先需要判斷三個圓中哪幾個相交，采用的辦法是將三個圓的方程兩兩組合，根據(jù)計算判斷是否有解。

如果方程（1）有解（x12，y12）、（x21，y21），判斷其中哪個點到（x3，y3）的距離近，選取該點為D;如果方程（2）有解（x13，y13）、（x31，y31），判斷其中哪個點到（x2，y2）的距離近，選取該點為F;如果方程（3）有解（ x23，y23）、（x32，y23），判斷其中哪個點到（xl，yl）的距離近，選取該點為E;所求盲節(jié)點的二維坐標即三角形DEF的中心坐標。如果其中方程（1）無實根，則連接兩圓圓心，與圓相交兩點的直線中心就是D;對于方程（2）、（3）無實根情況下，E、F點也依此求得，就此則可獲取中心作為移動節(jié)點坐標。

3 定位系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件設計

硬件設計包括核心模塊和擴展模塊兩大部分，核心模塊選擇TI公司的CC2530片上系統(tǒng)，該芯片集成了無線收發(fā)器和增強型8051處理器。并在在單芯片上組裝了ZigBee無線電磁發(fā)射模組，存儲器和MCU。供電電路采用直流（Direct Curren）電池模組供能，直流為5V電源適配器。移動節(jié)點采用4節(jié)5號電池進行供能。協(xié)調(diào)器模塊需要和上位機通信，所以除了必要的無線通信外還需要串口通信功能，為方便調(diào)試串口通信使用Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器。硬件功能模塊圖如圖3所示。

3.2 定位系統(tǒng)軟件設計

無線傳感網(wǎng)絡定位的基本思想是將盲節(jié)點附近所有的節(jié)點無線覆蓋范圍內(nèi)的己知錨節(jié)點的信號強度值傳輸給協(xié)調(diào)器，同時利用相應的定位算法，由協(xié)調(diào)器將信號強度值傳遞到上位機監(jiān)控軟件，計算出未知節(jié)點的坐標值并進行顯示。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡成功后，首先向盲節(jié)點廣播發(fā)送請求定位幀。盲節(jié)點收到上述廣播幀后，將封裝有RSSI值和步跳數(shù)設置為1的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)包進行廣播，保證只有在單跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點才能接收到該封裝信息包。

參考節(jié)點對一跳范圍內(nèi)的錨節(jié)點接收到RSSI信號進行預處理，記錄該盲點的RSSI值，由于無法處在理想場景下存在干擾波動，該數(shù)值并非穩(wěn)定不變。因此各錨節(jié)點可對收取的RSSI值進行適當加工，即簡單的對RSSI值求和作平均。盲節(jié)點發(fā)送RSSI的數(shù)據(jù)包請求信號，接收到數(shù)據(jù)包請求命令信號后，參考節(jié)點將各種所需參數(shù)值按特定協(xié)議封裝，發(fā)送到盲節(jié)點。盲節(jié)點將數(shù)據(jù)包發(fā)送到協(xié)調(diào)器。考慮到協(xié)調(diào)器將組網(wǎng)和串口通信功效用外，仍可兼具錨節(jié)點部分效用，所以僅需編譯兩類相近的算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。盲節(jié)點定位流程圖如圖4所示。

3.3 上位機軟件設計

協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)通過下述過程發(fā)送給主機進行位置信息的顯示，基于ZigBee網(wǎng)絡定位系統(tǒng)PC處理軟件中，與定位相關的功能主要包括兩大類：串口通信和訊息處置。定位信息處理包括2個方面：

（1）提供PC和網(wǎng)關節(jié)點硬件與軟件接口，PC通過調(diào)用串口與網(wǎng)關來交互。

（2）區(qū)塊定位。移用相應定位算法實現(xiàn)程序，打印串口發(fā)送數(shù)據(jù)在PC端顯示獲取未知節(jié)點二維坐標訊息，并顯示和保存定位二維坐標。協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給主機流程如圖5所示。

4 定位測試與誤差分析

通過比較未知節(jié)點標準位置與多次實測節(jié)點的二維坐標值進行為誤差分析，設置標準節(jié)點的位置坐標為（0.5，0.5），為了提高系統(tǒng)測試精度，數(shù)據(jù)進行10次采集。將十次結(jié)果進行平均值，通過測試計算得X平均值為0.51603米，Y平均值為0.48896米，X值的誤差為1.063%，Y值的誤差為2.208%。整體測量誤差在正負1.635%。如表1所示。

5 總結(jié)

本文論述了基于Zigbee技術和RSSI的室內(nèi)定位技術，詳細說明了室內(nèi)定位系統(tǒng)的基本原理和算法，從理想模型出發(fā)，優(yōu)化了RSSI算法，計算出盲節(jié)點與參考節(jié)點之間的準確距離;最后在上位機中通過串口打印位置信息，利用校園室內(nèi)環(huán)境進行實際測試，測試結(jié)果表明該對于平面定位需求該系統(tǒng)定位精確，誤差小。后續(xù)將進行節(jié)點合理封裝，適宜佩戴，并且考慮增加參考節(jié)點個數(shù)，實現(xiàn)不同樓層間精確定位。

參考文獻

[1]陳鵬飛，姜可宇，嚴翔忠，基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡定位技術研究[J]通訊世界，2017 （12）.

[2]白旭華，張瑞峰，王桂英.基于ZigBee網(wǎng)絡的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]，天津理工大學學報，2012 （02）.

[3]侯啟真，史秉鑫，劉衍帆，基于RSSI的Zigbee定位技術研究[J]，計算機應用與軟件，2016 （04）.

[4]張亞琳.基于ZigBee中繼器礦山井下人員定位算法[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2016 （08）.

[5]李樹明，肖艷，林巧民.基于ZigBee的定位監(jiān)護醫(yī)療服務系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2015 （08）.

[6]申靜濤，基于RSSI的對數(shù)距離路徑損耗模型研究[J].電子質(zhì)量，2013 （12）.