CN105848305A - 一种基于rssi差异性的移动设备与无线节点的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接方法，用于简化移动设备与其临近无线节点的连接流程。该方法包括两个部分：离线测量和在线滤波,首先通过离线测量记录应用环境的RSSI差异性数据；接着基于RSSI差异性数据，采用在线滤波算法对通信范围内无线节点的RSSI信号进行处理，进而筛选出与移动设备距离最近的无线节点的候选者清单。基于候选者清单，本发明可实现动态的连接方法：当候选者数量唯一时，直接连接该节点；当候选者数量不唯一时，显示候选者清单，供用户自行选择。

Description

一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接方法

技术领域

本发明涉及无线节点技术领域，特别是一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接方法。

背景技术

随着无线技术的高速发展，无线节点也得到了广泛的应用。在超市、图书馆、工厂等各类场合，越来越多的无线节点被布设。根据应用需求，移动设备用户经常需要与其最近的无线节点建立连接，进而实现信息交换。移动设备与无线节点的近距离信息交互在生活中被大量的应用，并考虑到无线节点的数量，可知在具有大量无线节点的环境下,移动设备接入到与其距离最近的无线节点的技术具有重要应用价值。

中国专利申请号为：CN201510587515.0，名称为：一种基于室内定位系统的RSSI卡尔曼滤波方法；中国专利申请号为：CN201510031944.X，名称为：一种基于RSSI的室内定位方法；以上方法都用到了卡尔曼滤波对无线节点的RSSI进行处理，提升了RSSI抗干扰能力，减小了RSSI的波动范围，提供有效的基于RSSI的室内定位方法。但是这些方法都是使用处理后的RSSI测算出绝对物理坐标，由于算法具有较高的复杂度，当无线节点数量多时，处理时间过长让用户无法忍受，同时现有的测量精度也无法满足移动设备与无线节点近距离交互的要求。

中国专利申请号为：CN201510348012.8，名称为：一种移动终端与智能设备连接的蓝牙配对方法与系统，公开了一种基于二维码的移动终端与智能设备连接的方法，该方法使用二维码降低了连接配对过程的繁琐。但是，二维码的扫描需要近距离操作，且对于空间和光线的要求较高。当较多的智能设备想要执行连接操作时，由于空间的限制，扫描二维码的操作将变得不可行，因此基于二维码的接入方法在应用场景上具有一定的局限性。

中国专利申请号为：CN201410384688.8，名称为：一种基于RFID移动阅读器的精确定位系统和方法，借助RFID移动阅读器和给定的已知的起始点实现对RFID节点的定位感知。布设RFID和RFID移动阅读器需要额外的硬件成本，另外实际应用中获取起始点坐标也是有难度的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接方法，本发明可实现动态的连接方法：当候选者数量唯一时，直接连接该节点；当候选者数量不唯一时，显示候选者清单，供用户自行选择。

本发明采用以下方案实现：包括两个部分：离线测量和在线滤波,具体为，1.通过离线测量记录应用环境的RSSI差异性数据；2.基于RSSI差异性数据，采用在线滤波算法对通信范围内无线节点的RSSI信号进行处理，进而筛选出与移动设备距离最近的无线节点的候选者清单。基于候选者清单：

其中，所述离线测量具体包括以下步骤：

步骤S11：无线节点开启广播模式，移动设备开启扫描模式；设定筛选次数n(n≥1)，设定每次筛选的RSSI采样次数为K＝{k₁,k₂,k₃,k₄,…k_n}，设定移动设备与最近无线节点的最大距离为d_max，d_max由网络所处的物理空间决定。

步骤S12：将距离移动设备最近的无线节点记为N节点，移动设备在距离N节点d_max处连续扫描该环境下的所有无线节点的RSSI，并通过滤波算法处理，采样次数分别为{k₁,k₂,k₃,k₄,…k_n}；

步骤S13：将滤波处理后的N节点的RSSI的最小值记为N_min；其他无线节点记为M节点，将滤波处理后的其他所有无线节点的RSSI的最大值记为M_max；N节点和其他节点之间的RSSI差异性可用N节点的RSSI最小值与其他所有节点的RSSI最大值的差值表示，记为ΔR，其中，

ΔR＝N_min-M_max；

计算：

$\{{\mathrm{\ΔR}}_{k_1},{\mathrm{\ΔR}}_{k_2},{\mathrm{\ΔR}}_{k_3}...{\mathrm{\ΔR}}_{k_n}\};$

其中，表示对RSSI进行k_n次采样并经过滤波算法处理后计算的ΔR值，即N节点和其他节点之间的RSSI差异性；

其中，所述在线滤波具体包括以下步骤：

步骤S21：开始筛选距离移动设备最近的无线节点，令当前筛选次数为i，i的初始值为1，移动设备对其通信范围内的每个无线节点都采样k_i次得到它们的RSSI，并通过滤波算法进行处理，对处理后所有的RSSI进行排序得到最大值，定义所述最大值为R_max；其中k_i∈K；

步骤S22：利用前述步骤S3的计算的进行筛选，对于步骤S21中扫描且滤波后的所有RSSI，如果则保留该无线节点，否则移除该无线节点；经过第一次筛选后保留的无线节点视为最近无线节点的候选者，保存成候选者清单；

步骤S23：当候选者清单中候选者数量唯一时，该无线节点就是距离用户最近的，直接连接，算法执行结束；当候选者清单中候选者数量不唯一时，如果此时的i＜n，进入步骤S24，进入下一次筛选；如果此时i＝n，将候选者清单中的无线节点推送给用户，供用户自行选择；

步骤S24:只对候选者清单中的无线节点进行采样和滤波，改变采样次数k_i＝k_i+1，返回步骤S21。

进一步地，所述无线节点所采用的无线通信技术包括WiFi、蓝牙、Zigbee，RFID。

较佳的，筛选次数n和采样次数k_n越大，筛选精度越高，但是处理时间越长。

特别的，执行完n次筛选后，对最终的候选者清单进行判断，清单中候选者数量唯一时，该无线节点就是距离用户最近的，直接连接。若最终的候选者清单中候选者数量不唯一时，表明移动设备此时无法确定最近的无线节点，将候选者清单中的无线节点推送给用户，供用户自行选择。

较佳的，当进行下一次连接时，若网络的节点部署和物理空间未发生改变，并且所述移动设备已通过一次离线测量获取过该网络的节点部署和物理空间下的RSSI差异性数据ΔR，则略过离线测量，直接进行在线滤波。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明能够简化移动设备与无线节点连接的操作流程。当移动设备能够确定最近的无线节点时，直接连接；当移动设备无法确定最近的无线节点时，推送处理后的少量的候选无线节点。避免了从设备列表中选择设备的繁琐操作，提升用户体验。

2、本发明提升了无线自动连接可靠性，对于环境所导致的RSSI变化具有较强的适应性。即使在无线节点密度较高的场合，本发明也能保证连接距离最近的无线节点的可靠性。

3、本发明降低了连接时间；实现高效的扫描和筛选，减少了接入距离最近的无线节点所需的时间。在无线节点密度较高的场合时，本发明减少连接时间的效果更加明显。

附图说明

图1为本发明实施例的算法流程示意图。

图2为本发明实施例的应用场景示例图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示，在本实施例中，布设众多无线节点的工业现场和持有移动设备的工作人员，无线节点物理连接着工业控制器。基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接算法的工作流程如图1所示。

本实施例的硬件平台：移动设备一台(Google Nexus 9平板电脑)；无线节点23个(使用的无线通信协议是蓝牙协议)；

本实施例具体包括以下步骤：

一、离线测量。

第一步，模式设置和参数配置：无线节点开启广播模式，移动设备开启扫描模式。设定筛选次数为2，两次筛选的RSSI采样次数设置为{k₁＝1,k₂＝20}；移动设备接入最近无线节点的最大距离设置为d_max＝0.9m；无线节点间距1.2m；算法执行重复次数100。

第二步，移动设备在距离最近无线节点d_max＝0.9m处连续扫描该环境下的所有无线节点的RSSI，直到采样次数达到20。

第三步，根据20次采样结果，计算ΔR₁和ΔR₂₀，结果如下表。

ΔR1	ΔR20
		-7	-2.89

二、在线滤波。

第一步，移动设备对每个无线节点都采样一次并得到他们的RSSI，并进行卡尔曼滤波处理，对处理后所有的RSSI进行排序从而得到的最大值，定义为R_max。

第二步，借助线下计算的ΔR₁进行筛选，对于第一步中扫描且滤波处理后的所有RSSI，如果RSSI＞R_max+ΔR₁即RSSI＞R_max+7，保留该无线节点，否则移除该无线节点。经过第一次筛选后剩下的无线节点视为最近无线移动节点的候选者，保存成候选者清单。第一次筛选结果如下表。

第三步，由上表可以看出，经过初步筛选后有68％的成功率可直接找到最近的无线节点并连接，此时算法执行结束。存在32％可能是候选者清单中候选者数量不唯一，此时继续执行算法。

第四步，对候选者清单中的无线节点再采样20次，并进行卡尔曼滤波处理，结合ΔR₂₀对滤波后的RSSI再执行一次筛选，如果RSSI＞R_max+ΔR₂₀即RSSI＞R_max+(-2.89)，保留该无线节点，否则移除该无线节点。将筛选结果保存成新的候选者清单中，结果如下表。

第五步，由上表可以看出，经过第二次筛选后，连接最近的无线移动节点的成功率在初步筛选的基础上又有提升，有92％的成功率可直接找到最近的无线节点并连接，算法执行结束。仅仅存在8％可能是新的候选者清单中候选者数量不唯一，表明移动设备此时无法确定最近的无线移动节点，则将清单中的无线节点推送给用户，供用户自行选择。虽说8％的情况出现用户手动选择，但是基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接算法将候选节点的个数从23个减少到2个，为用户除去了大部分的干扰，筛选效果好。

本实施例提供的一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接算法执行时间如下：

从上表可以看出基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接算法时间均值只需0.839s，连接时间最大值只需1.563s，故该算法连接用时短，且连接用时稳定。

本实施例与“一种基于室内定位系统的RSSI卡尔曼滤波方法”这个专利相比，本发明用估算相对距离替代了计算绝对物理坐标，基于RSSI的差异性的筛选能够更精确的接入到最近的无线节点。与“一种移动终端与智能设备连接的蓝牙配对方法与系统”相比，本发明提供一种动态接入到最近的无线节点的方法，无需用户手动扫描二维码并进一步简化了接入操作流程，短的接入时间和较高的接入精确度体现了本发明在无线节点接入方面的优势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：离线测量：通过离线测量记录应用环境的RSSI差异性数据；

步骤S2：在线滤波：基于RSSI差异性数据，采用在线滤波算法对通信范围内无线节点的RSSI信号进行处理，进而筛选出与移动设备距离最近的无线节点的候选者清单。

2.根据权利要求1所述的一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：无线节点开启广播模式，移动设备开启扫描模式；设定筛选次数n(n≥1)，设定每次筛选的RSSI采样次数为K＝{k₁,k₂,k₃,k₄,…k_n}，用户根据需求设定n和K，筛选次数n和采样次数k_n越大，筛选精度越高，但是处理时间越长；设定移动设备与最近无线节点的最大距离为d_max；d_max由网络所处的物理空间决定；

步骤S12：将距离移动设备最近的无线节点记为N节点，移动设备在距离N节点d_max处连续扫描该环境下的所有无线节点的RSSI，并通过滤波算法处理，采样次数分别为{k₁,k₂,k₃,k₄,…k_n}

步骤S13：将滤波处理后的N节点的RSSI的最小值记为N_min；其他无线节点记为M节点，将滤波处理后的其他所有无线节点的RSSI的最大值记为M_max；N节点和其他节点之间的RSSI差异性用N节点的RSSI最小值与其他所有节点的RSSI最大值的差值表示，记为ΔR，其中，

ΔR＝N_min-M_max；

计算：

$\{{\mathrm{\ΔR}}_{k_1},{\mathrm{\ΔR}}_{k_2},{\mathrm{\ΔR}}_{k_3}...{\mathrm{\ΔR}}_{k_n}\};$

其中，表示对RSSI进行k_n次采样并经过滤波算法处理后计算的ΔR值，即N节点和其他节点之间的RSSI差异性。

3.根据权利要求1所述的一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：开始筛选距离移动设备最近的无线节点，令当前筛选次数为i，i的初始值为1，移动设备对其通信范围内的每个无线节点都采样k_i次得到它们的RSSI，并通过滤波算法进行处理，对处理后所有的RSSI进行排序得到最大值，定义所述最大值为R_max；其中k_i∈K；

步骤S22：利用前述步骤S13的计算的进行筛选，对于步骤S21中扫描且滤波后的所有RSSI，如果则保留该无线节点，否则移除该无线节点；经过第一次筛选后保留的无线节点视为最近无线节点的候选者，保存成候选者清单；

步骤S23：当候选者清单中候选者数量唯一时，该无线节点就是距离用户最近的，直接连接，算法执行结束；当候选者清单中候选者数量不唯一时，如果此时的i＜n，进入步骤S24，进入下一次筛选；如果此时i＝n，显示候选者清单，供用户自行选择；

步骤S24:只对候选者清单中的无线节点进行采样和滤波，改变采样次数k_i＝k_i+1，返回步骤S21。

4.根据权利要求3所述的一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接方法，其特征在于：所述步骤S23采用动态的连接方法，即当候选者数量唯一时，直接连接该节点；当候选者数量不唯一时，显示候选者清单，供用户自行选择。

5.根据权利要求1所述的一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接方法，其特征在于：当进行下一次连接时，若网络的节点部署和物理空间未发生改变，并且所述移动设备已通过一次离线测量获取过该网络的节点部署和物理空间下的RSSI差异性数据ΔR，则略过离线测量，直接进行在线滤波。

6.根据权利要求1所述的一种基于RSSI差异性的移动设备与无线节点的连接方法，其特征在于：所述无线节点所采用的无线通信技术包括WiFi、蓝牙、Zigbee、RFID。