CN103813448A - 一种基于rssi的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于RSSI的室内定位方法，属于移动定位技术领域。包括如下步骤：布置三个参考节点，根据节点布局分别设置三个参考节点的坐标，开启参考节点开关，进入监听模式；随机放置一待测的未知节点，并设定坐标，建立一无线传感网络；测得三个参考节点处的对于未知节点的信号强度值，并将信号强度值转发给基站E，基站E将数据值转发到PC机；PC机对接收到的来自三个参考节点的接收信号强度值按比例转换的方法进行处理，用于确定未知节点D的坐标位置。优点：节省硬件资源；时间复杂度低、计算方法快速、定位精度高；对空间无线带宽资源的分配要求低，实际应用价值高；可适用于无法接收到GPS信号的室内环境。

Description

一种基于RSSI的室内定位方法

技术领域

本发明属于移动定位技术领域，具体涉及一种基于RSSI（英文全称：Received SignalStrength Indication；中文名称：接收信号的强度指示）的室内定位方法，尤其适用于无GPS信号的室内环境进行目标定位。

背景技术

随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，移动终端或其持有者、设备以及物品在室内的位置信息显得尤为重要。在开阔的室外环境中，全球定位系统GPS提供了非常精确的定位信息，然而由于室内环境的特殊性，当前一些用于室外定位的算法和系统很难移植到室内定位的应用中。室内目标定位存在重要的潜在应用，近年来引发大量的研究及关注。

室内定位研究主要集中在两个方面，一是室内定位系统的研究；二是室内定位算法的研究。上述位置信息的获取需要依靠定位系统，室内定位技术容易受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制。当前室内定位技术主要有红外、超声波、蓝牙、超宽带、WIFI（英文全称：WIreless Fidelity；中文名称：无线高保真）和射频定位技术等。其中，红外线由于直线视距传播和传输距离短这两大缺点，室内定位效果很差，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性；超声波定位技术虽然整体定位精度较高，又结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播的影响很大，并需要投入大量的硬件设施，因此成本太高；蓝牙技术在用作室内短距离定位时容易发现设备，且信号传输不受视距影响，但它不足之处在于价格昂贵，在复杂的空间环境中稳定性稍差，受噪声信号干扰大；超宽带室内定位技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术，可应用于室内静止或移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度，但设备昂贵，无法大范围推广；基于WIFI的定位技术只能应用于小范围的室内定位，而且容易受到其他信号干扰，精度较差，定位器的能耗也较高；而射频识别技术凭其非接触和非视距、成本低等优点，成为了优选的室内定位技术。

目前的室内定位算法一般是基于测距的定位算法，基于测距的定位先通过TOA(英文全称：Time of Arrival；中文名称：到达时间)测距法、AOA(英文全称：Angle of Arrival；中文名称：到达角度)测距法、TDOA(英文全称：Time Difference of Arrival；中文名称：到达时间差)测距法以及RSSI测距法等得到未知节点到锚节点（也称为信标节点）的距离或方位，再根据三边、三角或极大似然定位算法计算出未知节点的位置。在上述的各测距法中，除RSSI测距法外都需要通过测量与三个锚节点的距离才能进行定位，因此普遍具有较高的定位精度，但它们对节点硬件有较高的要求；而RSSI测距法，由于具有硬件成本低、实现简单、功耗低等优点，成为了近年来室内定位研究的热点,但其定位精度有待进一步提高。图1示意了在实际场景下测得的RSSI值与距离的关系曲线，由图可知，RSSI值与节点间距离构成对数曲线，存在两个不确定参数。

除了上述的基于测距的定位技术之外，专家学者为了满足市场对定位精度的需要，又提出了基于场景（信号指纹）分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。但较小误差的实现往往需要较多硬件来支撑或者会有较多的客观约束。如指纹分析方法虽然不需要过多硬件的支持，但它对定位精度的要求越高，需要预先存储的数据就越多，且当环境改变时需要重新存储数据，因此它需要大量的存储空间；基于临近关系的定位技术，通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来确定已知的各个位置，因此这些方案不管是从造价还是无线资源分配方面，都不具备通用性，可移植性较差。

鉴于上述已有技术中的不足，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于RSSI的室内定位方法，其基于射频识别技术，硬件设备和带宽资源的消耗较少，实现复杂度低、定位速度快且精度高。

本发明的目的是这样来达到的，一种基于RSSI的室内定位方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，布置三个参考节点，并尽可能保证未知节点在三个参考节点之间均匀分布，三个参考节点分别设为第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C，根据节点布局，将第一参考节点A的二维坐标设为（X_A,Y_A），第二参考节点B的二维坐标设为（0,0）、第三参考节点C的二维坐标设为（X_C,Y_C），开启参考节点开关，进入监听模式；

步骤2，随机放置一待测的未知节点D，保证其周期性地向外广播自身信息，建立一无线传感网络，通过PC机设未知节点D的二维坐标为（X,Y）；

步骤3，测得第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C处的对于未知节点D的信号强度值，并将信号强度值转发给基站E，基站E将数据值转发到PC机；

步骤4：PC机对接收到的来自三个参考节点的接收信号强度值按比例转换的方法进行处理，即将信号强度之间的比例转化为相应节点间距离的比例，用于确定未知节点D的坐标位置，

首先，基于RSSI理论建立第一参考节点A和未知节点D之间的RSSI值r₁、第二参考节点B和未知节点D之间的RSSI值r₂、第三参考节点C和未知节点D之间的RSSI值r₃的计算公式，

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=m\·\ln a+H\\ r_2=m\·\ln b+H\\ r_3=m\·\ln c+H\end{array}\right.$                 公式（1）

其中，m=-10·n·lge，n为路径损失指数，H被定义为以dB为单位的距未知节点D一米处的接收信号强度，a、b、c分别为第一参考节点A、第二参考节点B、第三参考节点C与未知节点D之间的距离值,

由公式（1）得出，

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1-r_2=m\·\ln \left(\frac{a}{b}\right)\\ r_3-r_2=m\·\ln \left(\frac{c}{b}\right)\end{array}\right.$                    公式（2）

由公式（2）变形得出a、b、c之间的比例关系式：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{a}{b}=e^{(r_1-r_2)/m}\\ \frac{c}{b}=e^{(r_3-r_2)/m}\end{array}\right.$                公式（3）

根据公式（3）并结合第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C和未知节点D的几何关系，建立各节点坐标值的函数关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{p}^2=\frac{{(X-X_A)}^2+(Y_A-Y)}{X^2+Y^2}\\ q^2=\frac{Y^2+{(X_C-X)}^2}{X^2+Y^2}\end{array}\right.$               公式（4）

其中，p=a/b，q=c/b，通过公式（4）计算未知节点D的坐标值（X，Y）。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C的位置摆放呈等腰三角形。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的无线传感网络由三个参考节点模块、一待定位模块、一网关节点模块以及一PC机构成，所述的网关节点模块与待定位模块连接，所述的PC机通过USB串口连接网关节点模块。

在本发明的又一个具体的实施例中，所述的三个参考节点模块、一待定位模块、一网关节点模块均采用支持ZigBee/IEEE 802.15.4技术的低功耗射频芯片。

本发明由于采用了上述结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：1.仅利用ZigBee无线传输模块即可实现室内定位，不需要利用其他的辅助手段如红外线、超声波等，节省了硬件资源；2.时间复杂度低，计算方法快速，可以实时地计算出物体在室内的位置，且定位精度高，有利于进一步的数据处理；3.只需要三个参考节点即可实现精度较高的室内定位，对空间无线带宽资源的分配要求低，实际应用价值高；4.可适用于无法接收到GPS信号的室内环境，弥补了GPS定位系统在室内无法工作的不足。

附图说明

图1为在实际场景下测得的RSSI值与信号传播距离的关系曲线图。

图2为本发明的一实施例的参考节点与未知节点的位置坐标图。

图3为本发明的一实施例的定位环境布局的示意图。

图4为本发明在实际环境中的测试结果示意图。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图2，一种基于RSSI的室内定位方法，包括如下步骤：

步骤1，布置三个参考节点，并尽可能保证未知节点在三个参考节点之间均匀分布，三个参考节点分别设为第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C，在本实施例中，所述的第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C的位置摆放呈等腰三角形，根据节点布局，将第一参考节点A的二维坐标设为（X_A,Y_A），第二参考节点B的二维坐标设为（0,0）、第三参考节点C的二维坐标设为（X_C,Y_C），开启参考节点开关，进入监听模式；

步骤2，随机放置一待测的未知节点D，保证其周期性地向外广播自身信息，建立一无线传感网络，设未知节点D的二维坐标为（X,Y），在本实施例中，所述的无线传感网络由三个参考节点模块、一待定位模块、一网关节点模块以及一PC机构成，所述的网关节点模块与待定位模块连接，所述的PC机通过USB串口连接网关节点模块。所述的三个参考节点模块、一待定位模块、一网关节点模块均采用支持ZigBee/IEEE 802.15.4技术的低功耗射频芯片，待定位模块的射频传输速率为250K比特/秒，频率为2.4G，发送频率不低于20Hz，以保证参考节点模块可以实时定位到未知节点的位置；

步骤3，测得第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C处的对于未知节点D的信号强度值，并将信号强度值转发给基站E，基站E将数据值转发到PC机；

步骤4：PC机对接收到的来自三个参考节点的接收信号强度值按比例转换的方法进行处理，即将信号强度之间的比例转化为相应节点间距离的比例，用于确定未知节点D的坐标位置。具体地，

首先，基于RSSI理论建立第一参考节点A和未知节点D之间的RSSI值r₁、第二参考节点B和未知节点D之间的RSSI值r₂、第三参考节点C和未知节点D之间的RSSI值r₃的计算公式，

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=m\·\ln a+H\\ r_2=m\·\ln b+H\\ r_3=m\·\ln c+H\end{array}\right.$              公式（1）

其中，m=-10·n·lge，n为路径损失指数；H被定义为以dB为单位的距未知节点D一米处的接收信号强度；a、b、c分别为第一参考节点A、第二参考节点B、第三参考节点C与未知节点D之间的距离值,

由公式（1）得出，

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1-r_2=m\·\ln \left(\frac{a}{b}\right)\\ r_3-r_2=m\·\ln \left(\frac{c}{b}\right)\end{array}\right.$                公式（2）

在公式（2）中，参数H被消除，和定位有关的参数只剩下m，一个不确定参数的消除可以减少定位误差的来源、提高定位精度。进一步地，由公式（2）可变形得出a、b、c之间的比例关系式，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{a}{b}=e^{(r_1-r_2)/m}\\ \frac{c}{b}=e^{(r_3-r_2)/m}\end{array}\right.$                  公式（3）

根据公式（3）并结合第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C和未知节点D的几何关系，建立各节点坐标值的函数关系式，

$\left\{\begin{array}{c}{p}^2=\frac{{(X-X_A)}^2+(Y_A-Y)}{X^2+Y^2}\\ q^2=\frac{Y^2+{(X_C-X)}^2}{X^2+Y^2}\end{array}\right.$                 公式（4）

其中，p=a/b，q=c/b，将r₁、r₂、r₃及m代入公式（3）以求出p、q数值，再通过公式（4）即可计算出未知节点D的坐标值（X，Y）。

请参阅图3，在室内环境中进行定位测试，进行实际验证。图中，节点1、2、3为已知坐标位置的参考节点，呈等腰三角形设置，这样可用实际环境的物理布局来减少方法的复杂度，节点4、5、6、7作为可能的待测未知节点。图中除了示意出的桌子外，还布置了电脑、打印机、电视等其他设备。在该室内环境中测得的结果如图4所示。由图4可知，虽然通过本发明所述的方法进行定位计算，仍存在一定的误差，但由于在计算方法中减少了一个不确定参数，因而能够明显地减少大误差点的出现，在一定的误差范围内实现了室内定位的准确性。

Claims (4)

1.一种基于RSSI的室内定位方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，布置三个参考节点，并尽可能保证未知节点在三个参考节点之间均匀分布，三个参考节点分别设为第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C，根据节点布局，将第一参考节点A的二维坐标设为（X_A,Y_A），第二参考节点B的二维坐标设为（0,0）、第三参考节点C的二维坐标设为（X_C,Y_C），开启参考节点开关，进入监听模式；

步骤2，随机放置一待测的未知节点D，保证其周期性地向外广播自身信息，建立一无线传感网络，通过PC机设未知节点D的二维坐标为（X,Y）；

步骤3，测得第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C处的对于未知节点D的信号强度值，并将信号强度值转发给基站E，基站E将数据值转发到PC机；

步骤4：PC机对接收到的来自三个参考节点的接收信号强度值按比例转换的方法进行处理，即将信号强度之间的比例转化为相应节点间距离的比例，用于确定未知节点D的坐标位置，

首先，基于RSSI理论建立第一参考节点A和未知节点D之间的RSSI值r₁、第二参考节点B和未知节点D之间的RSSI值r₂、第三参考节点C和未知节点D之间的RSSI值r₃的计算公式，

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=m\·\ln a+H\\ r_2=m\·\ln b+H\\ r_3=m\·\ln c+H\end{array}\right.$                 公式（1）

其中，m=-10·n·lge，n为路径损失指数，H被定义为以dB为单位的距未知节点D一米处的接收信号强度，a、b、c分别为第一参考节点A、第二参考节点B、第三参考节点C与未知节点D之间的距离值，由公式（1）得出，

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1-r_2=m\·\ln \left(\frac{a}{b}\right)\\ r_3-r_2=m\·\ln \left(\frac{c}{b}\right)\end{array}\right.$                   公式（2）

由公式（2）变形得出a、b、c之间的比例关系式，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{a}{b}=e^{(r_1-r_2)/m}\\ \frac{c}{b}=e^{(r_3-r_2)/m}\end{array}\right.$                 公式（3）

根据公式（3）并结合第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C和未知节点D的几何关系，建立各节点坐标值的函数关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{p}^2=\frac{{(X-X_A)}^2+(Y_A-Y)}{X^2+Y^2}\\ q^2=\frac{Y^2+{(X_C-X)}^2}{X^2+Y^2}\end{array}\right.$                 公式（4）

其中，p=a/b，q=c/b，通过公式（4）计算未知节点D的坐标值（X，Y）。

2.根据权利要求1所述的一种基于RSSI的室内定位方法，其特征在于所述的第一参考节点A、第二参考节点B以及第三参考节点C的位置摆放呈等腰三角形。

3.根据权利要求1所述的一种基于RSSI的室内定位方法，其特征在于所述的无线传感网络由三个参考节点模块、一待定位模块、一网关节点模块以及一PC机构成，所述的网关节点模块与待定位模块连接，所述的PC机通过USB串口连接网关节点模块。

4.根据权利要求3所述的一种基于RSSI的室内定位方法，其特征在于所述的三个参考节点模块、一待定位模块、一网关节点模块均采用支持ZigBee/IEEE802.15.4技术的低功耗射频芯片。

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