基于ZigBee的RSSI改進(jìn)定位算法在列車盲區(qū)定位中的實(shí)現(xiàn)

李衛(wèi)東，劉影

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院, 遼寧 大連116028)

0 引言

ZigBee技術(shù)是一種具有低功耗、低成本和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的雙向無(wú)線通信技術(shù)，隨著研究的不斷深入，ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，技術(shù)也更加成熟.與藍(lán)牙、WIFI等無(wú)線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)也具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景.其中，基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位就是非常重要的一項(xiàng)應(yīng)用.基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)的測(cè)距算法是利用無(wú)線電信號(hào)在傳輸過(guò)程中存在損耗，根據(jù)發(fā)射端與接收端信號(hào)強(qiáng)度的差值對(duì)兩者之間的距離進(jìn)行計(jì)算.在實(shí)際應(yīng)用中利用RSSI測(cè)距，信號(hào)強(qiáng)度往往在傳輸過(guò)程中容易被外界環(huán)境干擾[1]，本文在基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)來(lái)對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位可以提高定位精度[2].

1 RSSI改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法

實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境因素及信號(hào)在傳播過(guò)程中的反射、散射等影響，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一定程度的附加衰減，因此，利用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型測(cè)得的數(shù)據(jù)將更加準(zhǔn)確.對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型的表達(dá)式如下：

Pi(d)=Pt(d0)+10nlg(d/d0)+Xσ

式中，Pt(d)表示待測(cè)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間距離為d時(shí)的損耗強(qiáng)度，單位為dbm；PL(d0)表示待測(cè)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間距離較近(一般為1 m)時(shí)的參考損耗值；n代表路徑損耗指數(shù)；Xσ是均值為0的高斯分布隨機(jī)變量.所以，待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度可以表示為：

Pr(d)=Pt-PL(d)

Pt表示信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射強(qiáng)度；Pr(d)為待測(cè)節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)強(qiáng)度，也就是RSSI值.

采用四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)參與定位[3]，并以四個(gè)圓的公共弦交點(diǎn)所組成的區(qū)域代替類似DEF的相交區(qū)域，計(jì)算其質(zhì)心坐標(biāo)視為待測(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖1.圖中E、F、G、H為4條公共弦的交點(diǎn)，設(shè)它們的坐標(biāo)分別為(XE、YE)、(XF、YF)、(XG、YG)、

圖1 改進(jìn)質(zhì)心定位模型

(XH、YH)，根據(jù)質(zhì)心定位的思想，將四邊形EFGH的質(zhì)心作為待測(cè)節(jié)點(diǎn)M的測(cè)量位置.則待測(cè)節(jié)點(diǎn)M的坐標(biāo)為可表示為：

各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)已知且固定，所以測(cè)距會(huì)對(duì)定位準(zhǔn)確性有很大影響，通過(guò)反復(fù)計(jì)算和驗(yàn)證可知，將距離作為加權(quán)因子，加權(quán)后待測(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)表達(dá)式可表示為：

2 改進(jìn)算法列車盲區(qū)定位系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

2.1 定位系統(tǒng)平臺(tái)

本文選用的是基于CC2530(2.4GHz無(wú)線SOC)的ZigBee定位系統(tǒng)開發(fā)套件，主要硬件設(shè)備包括4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)待測(cè)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、仿真器、串口轉(zhuǎn)USB線和PC機(jī)一臺(tái).信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待測(cè)節(jié)點(diǎn)均為CC2530模塊，采用2.4GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee片上系統(tǒng)解決方案.模塊的有效通信半徑為80 m，工作頻率2.4～2.485 GHz，經(jīng)電池盒供電后可以獨(dú)立運(yùn)行使用，內(nèi)置PCB天線，具備全功能仿真調(diào)試接口，能夠直接下載仿真程序進(jìn)行調(diào)試，也可以作為獨(dú)立ZigBee開發(fā)板使用.本文所用ZigBee開發(fā)套件相關(guān)的軟件主要有：VB 6.0、SmartRF Flash Programmer、Packet Sniffer、IAR Embedded Workbench以及上位機(jī)演示軟件.

2.2 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的布置

本文將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以相隔50m的距離均勻布置在隧道壁兩側(cè),如圖2.當(dāng)列車行駛到節(jié)點(diǎn)AC中間位置時(shí)就已經(jīng)處于節(jié)點(diǎn)E的通信范圍之內(nèi)，同時(shí)還仍然處于節(jié)點(diǎn)A的通信范圍之內(nèi)，列車行駛在隧道的任何位置都能進(jìn)行不間斷地定位；此外，按照50 m間隔布置信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，使相鄰兩信標(biāo)節(jié)點(diǎn)同時(shí)參與定位的最大范圍直線距離為110m，設(shè)置標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)外廣播信息的時(shí)間周期為1 s時(shí)，時(shí)速達(dá)到198 km的列車在通過(guò)相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，理論上可以完成兩次有效定位，而當(dāng)列車通過(guò)兩相鄰節(jié)點(diǎn)時(shí)，在此期間定位時(shí)沒(méi)有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的切換，因此完成的有效定位次數(shù)越多，其定位結(jié)果越接近系統(tǒng)的實(shí)際定位能力，數(shù)據(jù)的參考價(jià)值越高.

圖2 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)布置圖

2.3 定位測(cè)試及結(jié)果分析

由于測(cè)試環(huán)境的特殊性及條件限制，本文利用汽車代替列車，采用本文提出的定位算法對(duì)公路隧道內(nèi)行駛的車輛進(jìn)行定位測(cè)試實(shí)驗(yàn)，記錄不同速度下測(cè)得的RSSI值和定位誤差，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為接下來(lái)的研究工作提供依據(jù).測(cè)試地點(diǎn)為位于大連市內(nèi)的蓮花山隧道，隧道全長(zhǎng)2 600 m，寬10.6 m(自測(cè))，單向雙車道.

2.3.1 參數(shù)測(cè)定

若要得到準(zhǔn)確的RSSI值，首先要確定準(zhǔn)確的參數(shù)A和n值，具體做法是：

(1)手持待測(cè)節(jié)點(diǎn)，調(diào)節(jié)待測(cè)節(jié)點(diǎn)與某個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置的相對(duì)遠(yuǎn)近，同時(shí)觀察對(duì)應(yīng)信號(hào)檢測(cè)數(shù)值的變化，記錄各信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值下待測(cè)節(jié)點(diǎn)與參考信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的距離；

(2)按照步驟(1)的方法依次完成待測(cè)節(jié)點(diǎn)與四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通信距離(在各強(qiáng)度數(shù)值下的可達(dá)通信距離)測(cè)試，并做好記錄；

(3)統(tǒng)計(jì)各信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值下待測(cè)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通信距離平均值；

(4)根據(jù)測(cè)距換算公式d=10^((ABS(RSSI)-A)/(10*n))，計(jì)算出最優(yōu)的A和n值.

按照上述步驟操作，最終測(cè)得隧道內(nèi)A和n的值分別為-22和4.6，再將A的數(shù)值轉(zhuǎn)換成補(bǔ)碼表示即為234.

2.3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)橫向間隔50 m，每間隔10 m做一處標(biāo)記，方便對(duì)車輛的實(shí)際位置進(jìn)行測(cè)量.4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(50,0)、(50,10.6)、(0,10.6)、(0,0)；汽車達(dá)到測(cè)試速度后保持車輛勻速行駛；當(dāng)汽車駛?cè)胄艠?biāo)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)時(shí)，上位機(jī)軟件記錄RSSI值，開始對(duì)車輛進(jìn)行定位,觀察和記錄數(shù)據(jù)及測(cè)試車輛的定位情況，并記錄每次完成定位時(shí)車輛的實(shí)際位置，便于誤差計(jì)算.

圖3 低速測(cè)試

將車速提高到50 km/h通過(guò)測(cè)試路段，操作同低速測(cè)試，隨機(jī)獲取該速度下某一次定位，根據(jù)上位機(jī)軟件顯示，此時(shí)測(cè)試車輛所處位置的定位坐標(biāo)為(43.61,9.87)；而經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量計(jì)算，該時(shí)刻汽車所處的實(shí)際位置為(44.23,7.96)，定位誤差2.01 m，相比于低速行駛時(shí)，誤差有所增大.

經(jīng)過(guò)10次50 km/h速度下的定位測(cè)試，共采集到24組誤差小于5 m的數(shù)據(jù)、4組誤差大于6m的數(shù)據(jù)，以及2組未能完成定位的無(wú)效數(shù)據(jù).經(jīng)計(jì)算，所得28組有效定位數(shù)據(jù)的平均誤差為3.74m，各誤差數(shù)值按記錄順序如圖4所示.

圖4 50 km/h定位誤差統(tǒng)計(jì)

將車速提高到60 km/h通過(guò)測(cè)試路段，再次隨機(jī)獲取該速度下某一次定位，由上位機(jī)軟件顯示，此時(shí)測(cè)試車輛所處位置的坐標(biāo)為(23.68,-3.17)；經(jīng)過(guò)測(cè)量計(jì)算得到該時(shí)刻汽車所處的實(shí)際位置為(23.16,2.29)，定位誤差為5.48 m.定位誤差有較明顯的增大.

進(jìn)行10次該速度下對(duì)車輛的定位測(cè)試，定位誤差在3 m之內(nèi)的定位結(jié)果共有4組，誤差在3～6 m之間的有11組，另外誤差大于6 m和定位失敗的數(shù)據(jù)各有3組.經(jīng)過(guò)計(jì)算，最大誤差和最小誤差分別為7.15 m和2.14 m，所得平均定位誤差為4.46 m，各誤差數(shù)值按記錄的時(shí)間順序如圖5所示.

圖5 60 km/h定位誤差統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

本文解決了列車在處于北斗定位盲區(qū)時(shí)的定位問(wèn)題，用汽車代替列車，在大連市蓮花山隧道內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，比較不同速度下ZigBee定位系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的定位結(jié)果.利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析推斷，系統(tǒng)的定位誤差具有隨速度增加而增大的趨勢(shì)；但當(dāng)車速?gòu)?0 km/h增加到60 km/h之后，最小定位誤差依然能夠保持在2 m左右，平均誤差的增量也在1 m之內(nèi)，總體定位效果符合預(yù)期.但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)出現(xiàn)定位失敗的情況說(shuō)明，該定位系統(tǒng)在工作時(shí)仍然存在一定的不足，需要進(jìn)一步加強(qiáng)改進(jìn)策略；同時(shí)需要在條件允許的情況下對(duì)更高速度的車輛進(jìn)行定位測(cè)試，獲取更多準(zhǔn)確客觀的定位數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的不斷完善提供有效參考.