基于RSSI測距的定位算法的研究

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1、基于RSSI測距的定位算法的研究引言ZigBee技術(shù)中定義了3種設(shè)備：協(xié)調(diào)器（Coordinator），路由器(Router)和終端設(shè)備(End?Device)。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)啟動整個網(wǎng)絡(luò)；路由器的功能主要是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)及多跳路由等；終端設(shè)備一般沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任。ZigBee技術(shù)通過這3種設(shè)備可以構(gòu)成一個移動自組織的網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用在家庭、環(huán)境監(jiān)測、工農(nóng)業(yè)等場合[1]。目前的定位技術(shù)總體上可以分為基于測距技術(shù)與無需測距技術(shù)。前者定位精度較高，后者實現(xiàn)起來比較簡單。在測距技術(shù)中，有基于接收信號強

2、度（RSSI）、基于到達(dá)時間差（TOA）、基于不同波的到達(dá)時間差（TDOA）以及到達(dá)角度差（AOA）等[24]。在這幾種測距技術(shù)中，基于RSSI的測距技術(shù)將接收到的信號強度轉(zhuǎn)換為節(jié)點之間的距離，不需要額外的硬件和數(shù)據(jù)交換，有成本低、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。本文結(jié)合CC2430/CC2431芯片，設(shè)計了一種基于RSSI的測距定位算法。1　RSSI測距的實現(xiàn)原理基于RSSI的測距技術(shù)是利用無線電信號隨距離增大而有規(guī)律地衰減的原理來測量節(jié)點間的距離的。接收信號強度RSSI與傳輸距離d的關(guān)系如下所示[5,8]：RSSI=-（1

3、0×n×lgd+A）(1)式中，n表示信號傳播常數(shù)，也叫傳播系數(shù)；d表示與發(fā)送者的距離；A表示距發(fā)送者1m時的信號強度。測距精度的高低受到n與A實際取值大小的影響較大。A是一個經(jīng)驗參數(shù)，可以通過測量距離發(fā)送者1m處的RSSI值得到。n是用來描述信號強度隨距離增加而遞減的參量,n的大小依賴具體的環(huán)境。為了得到最優(yōu)的n值，可以先放置好所有的參考節(jié)點，然后嘗試用不同的n_index值找到最適合這個具體環(huán)境的n值。2　節(jié)點組成的定位網(wǎng)絡(luò)2.1　CC2430/CC2431芯片介紹CC2430/CC2431是Chipcon

4、公司（現(xiàn)被TI收購）推出的針對IEEE802.15.4/ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了工作在2?4GHz的射頻收發(fā)器，擁有低功耗的8051MCU內(nèi)核、128KB可編程FlashROM和8KBRAM，還有A/D轉(zhuǎn)換器、定時器等。另外，CC2431片上系統(tǒng)由CC2430加上Motorola公司基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線定位引擎組成。其定位引擎支持3～l6個參考節(jié)點的定位運算，最高精度可達(dá)0?5m；定位時間少于40μs，定位區(qū)域為64m×64m，定位誤差為3～5m,與一般軟件定位相比，具有定位速

5、度快、定位準(zhǔn)確度高、消耗CPU資源少的特點[6]。CC2430/CC2431主要外圍電路圖如圖1所示。圖1　CC2430/CC2431主要外圍電路圖2.2　節(jié)點構(gòu)成的定位網(wǎng)絡(luò)圖2　ZigBee定位網(wǎng)絡(luò)控制界面ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有一類節(jié)點作為協(xié)調(diào)器，通過串口負(fù)責(zé)與PC通信；還有一類節(jié)點是參考節(jié)點，如圖2中周邊的4個圓圈，地址分別為0x143E、0x0001、0x3CB8、0x287B。這4個節(jié)點坐標(biāo)已知，中間的圓圈（地址0x0002）為盲節(jié)點。盲節(jié)點可以根據(jù)接收信號強度，選取其中3個信號強度比較強的參考節(jié)點，采用

6、三邊測量法估算出盲節(jié)點的坐標(biāo)位置。如圖2所示，盲節(jié)點實時顯示的坐標(biāo)為(6.25m,5.75m)。圖3為CC2431定位引擎的定位流程。圖3　CC2431定位引擎的定位流程2.3　最小二乘法修正距離從式(1)可以看出，如果知道參考節(jié)點與盲節(jié)點之間的RSSI值，則可以估算出兩個節(jié)點之間的距離。然而不同的環(huán)境下可能存在不同的信號干擾，采用節(jié)點之間的RSSI值估算距離必然存在一定的誤差。這時可以根據(jù)特定的環(huán)境對測量到的距離采用傳統(tǒng)的最小二乘法進(jìn)行修正[7]。得到修正后的距離，從而可以更加精確地估算出盲節(jié)點的坐標(biāo)。具體步

7、驟如下：①根據(jù)實際情況布置好節(jié)點，參考節(jié)點(Mi,Ni)與盲節(jié)點(Mj,Nj)的位置坐標(biāo)均已知?？梢愿鶕?jù)xi=(Mi-Mj)2+(Ni-Nj)2得到實際節(jié)點之間的距離。②根據(jù)式（1）估算出盲節(jié)點與各個參考節(jié)點之間的距離yi。③采用最小二乘法擬合實際距離xi與估計距離yi的關(guān)系。假設(shè)兩者之間的關(guān)系為yi=axi+b,為了使所有數(shù)據(jù)偏差的平方和很小，假設(shè)R2=∑mi=1(yi-axi-b)2?？梢园裄2看作自變量a和b的二元函數(shù)，要使得R2最小，分別對自變量求導(dǎo)，令其等于零。根據(jù)得到的a與b的值可以擬合出修正距離與

8、估計距離的關(guān)系Y修=a×X估+b，結(jié)合式(1)可以得到：④布置盲節(jié)點，通過式（1）估計盲節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離x，通過第3步擬合好的修正距離與估計距離之間的關(guān)系修正估計距離，得到修正的距離Y修。2.4　盲節(jié)點坐標(biāo)估計選擇3個接收信號強度最強的參考節(jié)點，采用三邊測量法估計出盲節(jié)點坐標(biāo)值[8]。假設(shè)3個參考節(jié)點A、B、C的坐標(biāo)分別為(ma,na)、(mb,nb)、(mc,nc)，盲節(jié)點E