基于RSSI的低成本室內(nèi)三維空間定位模型研究

陳 靜，顧祥玉，趙千倩，吳 瑩，余 雨

（南京工程學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

2019年，第五代移動通信（5G）系統(tǒng)開始商業(yè)化。在5G三大應(yīng)用場景中，大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）作為物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)潛在而重要的應(yīng)用場景，一直以來深受國內(nèi)外研究者關(guān)注。

伴隨移動通信技術(shù)的不斷更新，無線傳感器網(wǎng)的布設(shè)和應(yīng)用量得到了前所未有的提升。無線傳感器網(wǎng)是由大量微型低成本傳感器構(gòu)成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，在節(jié)點處采用無線的方式進(jìn)行通信，被監(jiān)控對象的信息以協(xié)同的方式被感知、收集、處理和傳輸，具有實現(xiàn)區(qū)域的監(jiān)測、為用戶提供服務(wù)的多項功能，因此被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

在無線傳感器網(wǎng)中，如果要確定各個傳感器、智能設(shè)備和物聯(lián)節(jié)點的位置，從而開展設(shè)備維護(hù)、信息更新和數(shù)據(jù)采集任務(wù)，那么定位功能不可或缺。位置信息的獲取和應(yīng)用成為人們生活中的重要需求，缺失定位的監(jiān)測信息是不完整的。因此，無線傳感器網(wǎng)中的定位問題已經(jīng)成為人們研究的熱點。

在mMTC應(yīng)用場景下大量的傳感節(jié)點被布設(shè)在環(huán)境中，如果單獨引入定位系統(tǒng)，將會較大程度地增加通信系統(tǒng)構(gòu)建的成本，采用傳感器、智能設(shè)備和物聯(lián)節(jié)點自帶的信號或者功能進(jìn)行定位是較好的解決方案。實際上，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，大部分節(jié)點采用ZigBee、WiFi或藍(lán)牙進(jìn)行無線通信，未來可能會應(yīng)用毫米波頻段相關(guān)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和匯集。這些無線通信技術(shù)有一個共同的特點，即采用RSSI或類似指標(biāo)進(jìn)行信號強(qiáng)度檢測。因此，為了保證物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的準(zhǔn)確性、完整性和經(jīng)濟(jì)性，如何利用RSSI信號構(gòu)建低成本的室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下3D定位系統(tǒng)成為了亟需解決的關(guān)鍵問題。

1 相關(guān)研究工作

現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)定位方法可以分為3類：鄰近信息法、場景分析法、幾何特征法。其中，幾何特征法是一種基于幾何原理的定位算法，是目前應(yīng)用最廣泛的定位算法，一般情形下需要確定多個點及多條邊作為已知條件。

1.1 基于RSSI的質(zhì)心定位算法

質(zhì)心定位算法是利用連接性進(jìn)行定位的算法，在不確定距離信息的情況下就可以進(jìn)行簡單的定位，容易實現(xiàn)。算法的原理主要是利用錨節(jié)點以一定的時間為周期向四周發(fā)射自身的位置信息和唯一的標(biāo)識符，待定位的盲節(jié)點不斷搜索附近不同的錨節(jié)點信息，當(dāng)收到的信息來自不同的錨節(jié)點并且錨節(jié)點的數(shù)達(dá)到某一閾值后，就通過個錨節(jié)點確定自身的位置。假設(shè)盲節(jié)點的坐標(biāo)為（，），個錨節(jié)點的坐標(biāo)依次為（,），（,），...，（x,y），利用質(zhì)心算法可得未知節(jié)點的坐標(biāo)為：

傳統(tǒng)質(zhì)心定位算法的不足之處在于：當(dāng)盲節(jié)點所發(fā)射的信號在各個錨節(jié)點處形成的信號強(qiáng)度值方差相差很大時，就會導(dǎo)致較大的定位誤差。

1.2 三邊定位算法

三邊定位算法通過測量待定位節(jié)點與三個信標(biāo)節(jié)點間的距離，計算得到未知節(jié)點的位置。通過此種定位算法不難得出未知節(jié)點接收信標(biāo)節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，待定位未知節(jié)點必須在其通信范圍內(nèi)。基本原理如圖1所示。

圖1 三邊測量法的原理

已知未知節(jié)點接收來自于、、位置信息的數(shù)據(jù)包，、、三點的坐標(biāo)信息為（x,y）、（x,y）、（x,y）、節(jié)點接收數(shù)據(jù)信息的距離為d、d、d，令未知節(jié)點的坐標(biāo)為（，），建立如下方程即可解得點的值：

然而這些研究主要采用的是WSN技術(shù)，成本高，且只能進(jìn)行二維定位，缺乏對設(shè)備的高度信息的反饋。因此，本文針對上述問題，提出一個基于RSSI的低成本室內(nèi)三維空間定位模型并通過實驗進(jìn)行驗證。

2 實驗方案設(shè)計

如前所述，現(xiàn)有大部分傳感器、智能設(shè)備或物聯(lián)節(jié)點都采用ZigBee、WiFi或藍(lán)牙無線通信協(xié)議，這些無線通信協(xié)議的RSSI信息較易獲取。為了構(gòu)建低成本的室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下3D定位系統(tǒng)，不失一般性地，本文采用ZigBee技術(shù)對三維室內(nèi)空間的定位進(jìn)行研究，進(jìn)而推廣到WiFi或藍(lán)牙技術(shù)的定位。

ZigBee技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、高擴(kuò)充及自組織等特性，且部署簡單，在軍事、環(huán)境、醫(yī)療、智能家居和工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域都已展現(xiàn)出較為廣闊的應(yīng)用前景。使用ZigBee技術(shù)進(jìn)行定位研究，有低成本、易實現(xiàn)及靈活性高等特點，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有著難以替代的作用。

CC2530是TI公司推出的用于2.4 GHz IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，它具有業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack）并且能夠提供強(qiáng)大和完備的ZigBee解決方案。因此，研究基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中3D定位技術(shù)具有相當(dāng)大的可行性和重要的現(xiàn)實意義。

對點到點的RSSI數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)在實驗室環(huán)境中進(jìn)行了測試。測試條件：空曠室內(nèi)環(huán)境，尺寸為6 m×5 m×3 m。三個CC2530定位模塊每隔1 s分別定時發(fā)送數(shù)據(jù)給另一個CC2530待測定位模塊，每個位置點測試10次取平均值，同時將RSSI數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到筆記本電腦。筆記本電腦通過程序?qū)SSI數(shù)據(jù)處理成距離數(shù)據(jù)并矯正。

錨節(jié)點和盲節(jié)點硬件完全一致，差別在于所燒寫的軟件固件程序參考節(jié)點與移動節(jié)點采用了2.4 GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案，節(jié)點模塊可獨立上電使用。

RSSI測距算法公式為：

其中：表示信號射頻參數(shù)，單位為dBm，含義是距離信標(biāo)節(jié)點1 m處接收到的信號平均能量的絕對值，即距離信標(biāo)節(jié)點1 m處的無線電信號強(qiáng)度；為信號衰減參數(shù)，該參數(shù)值與環(huán)境有關(guān)。

利用RSSI進(jìn)行定位時，為減小環(huán)境和設(shè)備安裝所帶來的距離計算偏差，須采集多組值和RSSI值來確定和的值。

3 基于RSSI的低成本室內(nèi)三維空間定位模型

相對于點的三維定位數(shù)據(jù)如下：

三維定位是二維平面定位的延展，當(dāng)節(jié)點要實現(xiàn)在三維空間的定位時，用于定位的各項變量無論是錨節(jié)點的坐標(biāo)還是節(jié)點之間的距離，亦或者是角度數(shù)據(jù)都必須要擴(kuò)展到三維空間當(dāng)中去。此外，在進(jìn)行三維定位研究時，因考慮到的因素比二維更加復(fù)雜，在實際研究過程中需要采用適當(dāng)?shù)亩ㄎ晃恢糜嬎闼惴ㄒ约岸ㄎ谎芯磕Ｐ停拍軐崿F(xiàn)理論上可行的三維空間定位。本研究模型的構(gòu)建基于三維空間中的四個錨節(jié)點位置實現(xiàn)對空間盲節(jié)點的定位。基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中3D定位場景如圖2所示。

圖2 基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中3D定位場景

因研究中采集到的信號在實際傳輸過程中會受到各種干擾，如人的走動、環(huán)境信號噪聲等，因此需要對采集到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對算法進(jìn)行誤差校正。整個過程中的誤差主要由時間誤差和定位誤差兩部分組成，關(guān)系到未知節(jié)點的定位精度與RSSI的參數(shù)和基站節(jié)點測量位置的精度。在測量RSSI值參數(shù)時會受到多路徑、通信信道以及空間中的各種噪聲，甚至包含一些電磁場的干擾；另外，在計算定位過程中估計的誤差是不確定的。

4 實驗測試與仿真

表1給出了定位模型試驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果，其中、、為理論坐標(biāo)值，、、為實際坐標(biāo)值。由表1數(shù)據(jù)可知，RSSI值與距離的擬合關(guān)系中存在著較強(qiáng)的線性關(guān)系。在實際的6 m×5 m×3 m空曠實驗環(huán)境中，考慮到ZigBee天線本身、多路徑及空間中的各種噪音，在各個發(fā)射和接收模塊的天線角度不變的情況下，對射頻參數(shù)即距離信標(biāo)節(jié)點1 m處的無線電信號強(qiáng)度進(jìn)行多次測量，并計算其平均值，以此減小誤差，在本次實驗中的取值為39 dBm；為信號衰減參數(shù)，該參數(shù)值與環(huán)境有關(guān)，在本次實驗中經(jīng)過多次測量和計算取值為3.15。

表1 定位模型試驗數(shù)據(jù)對比表

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的錨節(jié)點部署完成后，設(shè)定錨節(jié)點發(fā)射通信信號，盲節(jié)點會得到該錨節(jié)點的個RSSI數(shù)據(jù)值。由于ZigBee定位的精度不高，所以在數(shù)據(jù)分析的過程中對數(shù)據(jù)的處理顯得尤為重要。先對改組數(shù)據(jù)序列進(jìn)行預(yù)處理：在信號序列中，對信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行大小排序，提出兩端可能含有粗差的數(shù)據(jù)，找出信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)的中位數(shù)，選取一個以中位數(shù)為中點的區(qū)間，實心信號區(qū)間內(nèi)粗差數(shù)據(jù)減少；最后將選取的信號區(qū)域內(nèi)信號值求平均，并將結(jié)果作為最終輸出，用于最終坐標(biāo)位置定位估算。

如圖3所示，在文中的測試場景下RSSI值與三維坐標(biāo)值之間存在一定的關(guān)系，并且實驗中得到的實際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)之間存在誤差，但是在ZigBee模塊的允許誤差范圍內(nèi)。在復(fù)雜的應(yīng)用場中，RSSI值轉(zhuǎn)化的理論三維坐標(biāo)與實際三維坐標(biāo)之間的誤差會增大，但是通過多組數(shù)據(jù)之間的擬合計算，可以實現(xiàn)簡易、粗略的測距和定位功能。

圖3 節(jié)點分布

5 結(jié) 語

本文從理論上提出了基于RSSI值的無線ZigBee測距定位技術(shù)，構(gòu)建了基于RSSI的低成本三維空間定位模型，在實際操作中運用了CC2530測距定位模塊實現(xiàn)方式。通過實際測試，對RSSI和距離公式的參數(shù)設(shè)置精確化，得到了RSSI值與三維坐標(biāo)之間的關(guān)系；并且對實際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的誤差分析以及對原始數(shù)據(jù)處理的方法得到進(jìn)一步提升，為進(jìn)行下一步的高精度定位提供了實際基礎(chǔ)。雖然基于RSSI的測距定位在定位的精度和環(huán)境的選取時存在較大的限制和影響，但是由于模塊簡單易得及其本身提供的工具豐富，不需要額外的硬件和軟件，因此在定位測距方面依然具有比較高的價值和選取余地。