CN111800853B - 基于信号rssi的设备群体定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于信号RSSI的设备群体定位方法，通过在定位区域内设置多个接收设备，任意一个目标设备发送信标信号时，至少有3个接收设备能接收到该目标设备的信标信号，以定位区域建立的直角坐标系，分别确定每个接收设备的坐标，为每台目标设备分别设置唯一的身份标识以及唯一的信标信号，每台目标设备的信标信号的长度不同，利用接收设备获取的接收信号强度的变化、接收到的信标信号的个数和信标信号传播距离的相互关系，提取信标信号中隐含的目标设备的身份信息，实现每个目标设备定位；优点是在用于海量终端场景时，不需要消耗大量的信道竞争时间和能量，能够使所有目标设备均具有较高定位效率。

Description

基于信号RSSI的设备群体定位方法
技术领域
本发明涉及一种定位方法，尤其是涉及一种基于信号RSSI的设备群体定位方法。
背景技术
5G技术的深入研究和应用推动了海量终端连接下的物联网系统的高速发展和部署，基于位置的服务成为最具发展潜力的物联网业务之一。如智能仓储业务中，物联网系统需要实时掌握智能机器人和货物的位置变动情况；智慧物流业务中，物联网系统对货物的分拣需要借助大量实时位置信息的辅助。海量设备的位置情况是智能仓储业务和智慧物流业务等深入开展的重要数据源。
对于室外环境，常用的定位服务主要是基于GPS来实现的，如我国的北斗卫星导航系统就能够为用户提供较高精度的定位服务，常被应用于如导航和自动驾驶等业务中。然而，受到室内建筑的限制，如水泥墙和钢筋结构等，GPS信号在室内环境衰减严重，定位精度差甚至无法提供定位服务，基于GPS的定位机制在室内定位场景的应用十分受限。然而，诸如智能家居、智慧仓储和智慧楼宇等物联网应用的海量终端大多部署于室内环境中，亟需提出基于室内环境的高精度定位技术。
如何在各种无线网络中实现快速、准确和健壮地获取移动位置信息的定位技术已经成为当前的研究热点。目前，针对室内定位的需求，目前已经提出基于射频识别技术RFID、蓝牙、WLAN、超宽带(Ultra-Wideband,UWB)的室内定位方法。这些方法基于信号的衰减模型、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)或到达时间(TOA)实现对目标设备的定位。然而，当前这些方法主要针对单一目标设备，当在定位环境中存在多个目标设备时，需要实现进行定位服务竞争，随后按序开展定位服务。由此，当这些定位方式应用于海量终端(即目标设备)场景时，需要消耗大量的信道竞争时间和能量，也使得优先级较后的目标设备产生较大的定位延迟，不能使所有目标设备均具有较高的定位效率，不利于物联网系统的高效运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在用于海量终端场景时，不需要消耗大量的信道竞争时间和能量，能够使所有目标设备均具有较高定位效率的基于信号RSSI的设备群体定位方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于信号RSSI的设备群体定位方法，包括以下步骤：
步骤(1)、在定位区域内设置用于接收目标设备发送的信标信号的接收设备，其中接收设备的数量和位置能够使定位区域内任意一个目标设备发送信标信号时，至少有3个接收设备能接收到该目标设备的信标信号，每个所述的接收设备均具有测量获取信标信号的接收信号强度(RSSI，Received Signal Strength Indicator)的能力，且定位区域中所有的接收设备位于同一网络空间，均与一台数据处理终端连接，任意两个接收设备之间能够相互通信以及信息共享，将定位区域内设置的接收设备的数量记为N，对定位区域内N个接收设备按照1-N随机进行编号，将编号为n的接收设备称作第n个接收设备，n＝1,2，…，N；
步骤(2)、建立以定位区域左下角位置为原点，东西方向为x轴，南北方向为y轴的直角坐标系，其中东方向为x轴正半轴，北方向为y轴正半轴，根据建立好的直角坐标系，分别确定定位区域内N个接收设备的坐标，将第n个接收设备的坐标记为(Xn,Yn)；
步骤(3)、将定位区域内目标设备的总数量记为M，为定位区域内每台目标设备分别设置唯一的身份标识以及唯一的信标信号，每台目标设备的身份标识和信标信号呈映射关系，每台目标设备的信标信号的长度不同，将所有目标设备的身份标识以及信标信号预存在所有接收设备和数据处理终端中；
步骤(4)、当对定位区域内M个目标设备进行定位时，首先通过数据处理终端控制所有接收设备采用广播方式发送定位请求，M个目标设备在接收到定位请求后，同一时间发送其对应的信标信号，此时每个目标设备发送的信标信号将会被至少3个接收设备收到，每个接收设备分别根据其接收到的信标信号的接收信号强度(RSSI，Received SignalStrength Indicator)变化情况，依次反推出其接收到的每个信标信号对应的目标设备与其之间的距离并反馈给数据处理终端，数据处理终端根据三点定位原理对这些距离进行处理，最终获得这M个目标设备的绝对坐标，完成M个目标设备的定位。
所述的步骤(4)中对这M个目标设备进行定位的具体过程为：
4-1、所有接收设备同时采用广播方式发送定位请求；
4-2、定位区域内M个目标设备收到定位请求后，同时发送信标信号，其中第m个目标设备发送的信标信号的接收信号强度的初始值为10dBm，信号长度为100m毫秒，m＝1,2,…,M；
4-3、M个目标设备发送的信标信号在空间中传播，每个信标信号的接收信号强度会随着传递距离的增加而逐步变小；由于每个目标设备发送的信标信号的信号长度不同，每个接收设备从开始接收信标信号至其能够接收到的所有信标信号至接收完成，其能够接收到的所有信标信号的接收信号强度叠加后将随着接收时间呈“阶梯式”下降，将第n个接收设备接收到的信标信号的总数量记为pn，将第n个接收设备接收到的第k个信标信号的接收信号强度记为λnk，将第n个接收设备收到第k个信标信号的时间记为τnk，k＝1,2，…，pn，采用第n个接收设备接收到的所有信标信号的接收信号强度构建第n个信号强度变化向量RSSIn，
Figure BDA0002503431140000031
采用第n个接收设备接收到的所有信标信号的接收信号强度构建第n个时间向量Tn，
Figure BDA0002503431140000032
4-4、每个接收设备分别根据通用的信号自由空间衰减模型和通用信号空间叠加模型，计算得到其与其接收到的每个信标信号对应的目标设备之间的距离发送给数据处理终端，其中，第n个接收设备与其接收到的第pn个信标信号对应的目标设备之间的距离为
Figure BDA0002503431140000033
第n个接收设备与其接收到的第f个信标信号对应的目标设备之间的距离为
Figure BDA0002503431140000034
σ为路径损耗指数，在室外开放环境中σ取值为2；与室外相通的室内环境中σ取值为2.5；与室外不相通的室内封闭环境中σ取值为3，RSSIT为目标设备发送的信标信号的接收信号强度的初始值，即10dBm；
4-5、在数据处理终端上对所有接收设备与其接收到的每个信标信号对应的目标设备之间的距离进行汇总，获取每个目标设备与收到其发送的信标信号的所有接收设备之间的距离作为该目标设备的测距数据，由于每个目标设备发送的信标信号至少会被3个接收设备接收到，故此，每个目标设备的测距数据为3个或者3个以上；
4-6、判断第m个目标设备的测距数据是否等于3，如果等于3，则将第m个目标设备的3个测距数据作为第m个目标设备的预选定位数据，如果不等于3，则从第m个目标设备的所有测距数据中从小到大选择三个测距数据作为第m个目标设备的预选定位数据，将第m个目标设备的预选定位数据对应的3个接收设备的坐标分别记为(xm1,ym1)、(xm2,ym2)、(xm3,ym3)，将坐标为(xm1,ym1)的接收设备与第m个目标设备的距离记为dm1，坐标为(xm2,ym2)的接收设备与第m个目标设备的距离记为dm2，坐标为(xm3,ym3)的接收设备与第m个目标设备的距离记为dm3；
4-7、构建如下式(1)所示的二次方程：
Figure BDA0002503431140000041
4-8、将xm1,xm2,xm3,ym1,ym2,ym3带入式(1)方程进行求解，得到xm,ym；(xm,ym)即为第m个目标设备的坐标，完成第m个目标设备的定位。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过在定位区域内设置用于接收目标设备发送的信标信号的多个接收设备，接收设备的数量和位置能够使定位区域内任意一个目标设备发送信标信号时，至少有3个接收设备能接收到该目标设备的信标信号，每个所述的接收设备均具有测量获取信标信号的接收信号强度(RSSI，Received Signal StrengthIndicator)的能力，且定位区域中所有的接收设备位于同一网络空间，均与一台数据处理终端连接，任意两个接收设备之间能够相互通信以及信息共享，并建立以定位区域左下角位置为原点，东西方向为x轴，南北方向为y轴的直角坐标系，其中东方向为x轴正半轴，北方向为y轴正半轴，根据建立好的直角坐标系，分别确定定位区域内每个接收设备的坐标，为定位区域内每台目标设备分别设置唯一的身份标识以及唯一的信标信号，每台目标设备的身份标识和信标信号呈映射关系，每台目标设备的信标信号的长度不同，将所有目标设备的身份标识以及信标信号预存在所有接收设备和数据处理终端中，当对定位区域内M个目标设备进行定位时，首先通过数据处理终端控制所有接收设备采用广播方式发送定位请求，M个目标设备在接收到定位请求后，同一时间发送其对应的信标信号，此时每个目标设备发送的信标信号将会被至少3个接收设备收到，每个接收设备分别根据其接收到的信标信号的接收信号强度(RSSI，Received Signal Strength Indicator)变化情况，依次反推出其接收到的每个信标信号对应的目标设备与其之间的距离并反馈给数据处理终端，数据处理终端根据三点定位原理对这些距离进行处理，最终获得这M个目标设备的绝对坐标，完成M个目标设备的定位，由此本发明利用接收设备获取的接收信号强度的变化、接收到的信标信号的个数和信号传播距离的相互关系，提取信标信号中隐含的目标设备的身份信息，实现对多个目标设备的群体定位，在用于海量终端场景时，不需要消耗大量的信道竞争时间和能量，能够使所有目标设备均具有较高定位效率。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：一种基于信号RSSI的设备群体定位方法，包括以下步骤：
步骤(1)、在定位区域内设置用于接收目标设备发送的信标信号的接收设备，其中接收设备的数量和位置能够使定位区域内任意一个目标设备发送信标信号时，至少有3个接收设备能接收到该目标设备的信标信号，每个接收设备均具有测量获取信标信号的接收信号强度(RSSI，Received Signal Strength Indicator)的能力，且定位区域中所有的接收设备位于同一网络空间，均与一台数据处理终端连接，任意两个接收设备之间能够相互通信以及信息共享，将定位区域内设置的接收设备的数量记为N，对定位区域内N个接收设备按照1-N随机进行编号，将编号为n的接收设备称作第n个接收设备，n＝1,2，…，N；
步骤(2)、建立以定位区域左下角位置为原点，东西方向为x轴，南北方向为y轴的直角坐标系，其中东方向为x轴正半轴，北方向为y轴正半轴，根据建立好的直角坐标系，分别确定定位区域内N个接收设备的坐标，将第n个接收设备的坐标记为(Xn,Yn)；
步骤(3)、将定位区域内目标设备的总数量记为M，为定位区域内每台目标设备分别设置唯一的身份标识以及唯一的信标信号，每台目标设备的身份标识和信标信号呈映射关系，每台目标设备的信标信号的长度不同，将所有目标设备的身份标识以及信标信号预存在所有接收设备和数据处理终端中；
步骤(4)、当对定位区域内M个目标设备进行定位时，首先通过数据处理终端控制所有接收设备采用广播方式发送定位请求，M个目标设备在接收到定位请求后，同一时间发送其对应的信标信号，此时每个目标设备发送的信标信号将会被至少3个接收设备收到，每个接收设备分别根据其接收到的信标信号的接收信号强度(RSSI，Received SignalStrength Indicator)变化情况，依次反推出其接收到的每个信标信号对应的目标设备与其之间的距离并反馈给数据处理终端，数据处理终端根据三点定位原理对这些距离进行处理，最终获得这M个目标设备的绝对坐标，完成M个目标设备的定位。
本实施例中，步骤(4)中对这M个目标设备进行定位的具体过程为：
4-1、所有接收设备同时采用广播方式发送定位请求；
4-2、定位区域内M个目标设备收到定位请求后，同时发送信标信号，其中第m个目标设备发送的信标信号的接收信号强度的初始值为10dBm，信号长度为100m毫秒，m＝1,2,…,M；
4-3、M个目标设备发送的信标信号在空间中传播，每个信标信号的接收信号强度会随着传递距离的增加而逐步变小；由于每个目标设备发送的信标信号的信号长度不同，每个接收设备从开始接收信标信号至其能够接收到的所有信标信号至接收完成这段时间内，其能够接收到的所有信标信号的接收信号强度叠加后将随着接收时间呈“阶梯式”下降(开始接收时，每个接收设备接收到的是其能够接收到的所有信标信号，此时每台接收设备获取的接收信号强度为其能够接收到的所有信标信号的接收信号强度相叠加，随着时间的增加，每台接收设备能够接收到的所有信标信号中，信号长度小的信标信号将先完成接收，也就是说，当一个信标信号接收完成后，后续台接收设备获取的接收信号强度是还处于接收阶段的其他信标信号的接收信号强度相叠加，由此每台接收设备接收到的所有信标信号的接收信号强度叠加后将随着接收时间呈“阶梯式”下降)，将第n个接收设备接收到的信标信号的总数量记为pn，将第n个接收设备接收到的第k个信标信号的接收信号强度记为λnk，将第n个接收设备收到第k个信标信号的时间记为τnk，k＝1,2，…，pn，采用第n个接收设备接收到的所有信标信号的接收信号强度构建第n个信号强度变化向量RSSIn，
Figure BDA0002503431140000061
采用第n个接收设备接收到的所有信标信号的接收信号强度构建第n个时间向量Tn，
Figure BDA0002503431140000062
4-4、每个接收设备分别根据通用的信号自由空间衰减模型和通用信号空间叠加模型，计算得到其与其接收到的每个信标信号对应的目标设备之间的距离发送给数据处理终端，其中，第n个接收设备与其接收到的第pn个信标信号对应的目标设备之间的距离为
Figure BDA0002503431140000063
第n个接收设备与其接收到的第f个信标信号对应的目标设备之间的距离为
Figure BDA0002503431140000064
σ为路径损耗指数，在室外开放环境中σ取值为2；与室外相通的室内环境中σ取值为2.5；与室外不相通的室内封闭环境中σ取值为3，RSSIT为目标设备发送的信标信号的接收信号强度的初始值，即10dBm；
4-5、在数据处理终端上对所有接收设备与其接收到的每个信标信号对应的目标设备之间的距离进行汇总，获取每个目标设备与收到其发送的信标信号的所有接收设备之间的距离作为该目标设备的测距数据，由于每个目标设备发送的信标信号至少会被3个接收设备接收到，故此，每个目标设备的测距数据为3个或者3个以上；
4-6、判断第m个目标设备的测距数据是否等于3，如果等于3，则将第m个目标设备的3个测距数据作为第m个目标设备的预选定位数据，如果不等于3，则从第m个目标设备的所有测距数据中从小到大选择三个测距数据作为第m个目标设备的预选定位数据，将第m个目标设备的预选定位数据对应的3个接收设备的坐标分别记为(xm1,ym1)、(xm2,ym2)、(xm3,ym3)，将坐标为(xm1,ym1)的接收设备与第m个目标设备的距离记为dm1，坐标为(xm2,ym2)的接收设备与第m个目标设备的距离记为dm2，坐标为(xm3,ym3)的接收设备与第m个目标设备的距离记为dm3；
4-7、构建如下式(1)所示的二次方程：
Figure BDA0002503431140000071
4-8、将xm1,xm2,xm3,ym1,ym2,ym3带入式(1)方程进行求解，得到xm,ym；(xm,ym)即为第m个目标设备的坐标，完成第m个目标设备的定位。

Claims (1)

1.一种基于信号RSSI的设备群体定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)、在定位区域内设置用于接收目标设备发送的信标信号的接收设备，其中接收设备的数量和位置能够使定位区域内任意一个目标设备发送信标信号时，至少有3个接收设备能接收到该目标设备的信标信号，每个所述的接收设备均具有测量获取信标信号的接收信号强度(RSSI，Received SignalStrength Indicator)的能力，且定位区域中所有的接收设备位于同一网络空间，均与一台数据处理终端连接，任意两个接收设备之间能够相互通信以及信息共享，将定位区域内设置的接收设备的数量记为N，对定位区域内N个接收设备按照1-N随机进行编号，将编号为n的接收设备称作第n个接收设备，n＝1,2，…，N；
步骤(2)、建立以定位区域左下角位置为原点，东西方向为x轴，南北方向为y轴的直角坐标系，其中东方向为x轴正半轴，北方向为y轴正半轴，根据建立好的直角坐标系，分别确定定位区域内N个接收设备的坐标，将第n个接收设备的坐标记为(Xn,Yn)；
步骤(3)、将定位区域内目标设备的总数量记为M，为定位区域内每台目标设备分别设置唯一的身份标识以及唯一的信标信号，每台目标设备的身份标识和信标信号呈映射关系，每台目标设备的信标信号的长度不同，将所有目标设备的身份标识以及信标信号预存在所有接收设备和数据处理终端中；
步骤(4)、当对定位区域内M个目标设备进行定位时，首先通过数据处理终端控制所有接收设备采用广播方式发送定位请求，M个目标设备在接收到定位请求后，同一时间发送其对应的信标信号，此时每个目标设备发送的信标信号将会被至少3个接收设备收到，每个接收设备分别根据其接收到的信标信号的接收信号强度(RSSI，Received Signal StrengthIndicator)变化情况，依次反推出其接收到的每个信标信号对应的目标设备与其之间的距离并反馈给数据处理终端，数据处理终端根据三点定位原理对这些距离进行处理，最终获得这M个目标设备的绝对坐标，完成M个目标设备的定位；
所述的步骤(4)中对这M个目标设备进行定位的具体过程为：
4-1、所有接收设备同时采用广播方式发送定位请求；
4-2、定位区域内M个目标设备收到定位请求后，同时发送信标信号，其中第m个目标设备发送的信标信号的接收信号强度的初始值为10dBm，信号长度为100m毫秒，m＝1,2,…,M；
4-3、M个目标设备发送的信标信号在空间中传播，每个信标信号的接收信号强度会随着传递距离的增加而逐步变小；由于每个目标设备发送的信标信号的信号长度不同，每个接收设备从开始接收信标信号至其能够接收到的所有信标信号至接收完成，其能够接收到的所有信标信号的接收信号强度叠加后将随着接收时间呈“阶梯式”下降，将第n个接收设备接收到的信标信号的总数量记为pn，将第n个接收设备接收到的第k个信标信号的接收信号强度记为λnk，将第n个接收设备收到第k个信标信号的时间记为τnk，k＝1,2，…，pn，采用第n个接收设备接收到的所有信标信号的接收信号强度构建第n个信号强度变化向量RSSIn，
Figure FDA0003416532120000021
采用第n个接收设备接收到的所有信标信号的接收信号强度构建第n个时间向量Tn，
Figure FDA0003416532120000022
4-4、每个接收设备分别根据通用的信号自由空间衰减模型和通用信号空间叠加模型，计算得到其与其接收到的每个信标信号对应的目标设备之间的距离发送给数据处理终端，其中，第n个接收设备与其接收到的第pn个信标信号对应的目标设备之间的距离为
Figure FDA0003416532120000023
第n个接收设备与其接收到的第f个信标信号对应的目标设备之间的距离为
Figure FDA0003416532120000024
f＝1，2，…，pn-1，σ为路径损耗指数，在室外开放环境中σ取值为2；与室外相通的室内环境中σ取值为2.5；与室外不相通的室内封闭环境中σ取值为3，RSSIT为目标设备发送的信标信号的接收信号强度的初始值，即10dBm；
4-5、在数据处理终端上对所有接收设备与其接收到的每个信标信号对应的目标设备之间的距离进行汇总，获取每个目标设备与收到其发送的信标信号的所有接收设备之间的距离作为该目标设备的测距数据，由于每个目标设备发送的信标信号至少会被3个接收设备接收到，故此，每个目标设备的测距数据为3个或者3个以上；
4-6、判断第m个目标设备的测距数据是否等于3，如果等于3，则将第m个目标设备的3个测距数据作为第m个目标设备的预选定位数据，如果不等于3，则从第m个目标设备的所有测距数据中从小到大选择三个测距数据作为第m个目标设备的预选定位数据，将第m个目标设备的预选定位数据对应的3个接收设备的坐标分别记为(xm1,ym1)、(xm2,ym2)、(xm3,ym3)，将坐标为(xm1,ym1)的接收设备与第m个目标设备的距离记为dm1，坐标为(xm2,ym2)的接收设备与第m个目标设备的距离记为dm2，坐标为(xm3,ym3)的接收设备与第m个目标设备的距离记为dm3；
4-7、构建如下式(1)所示的二次方程：
Figure FDA0003416532120000031
4-8、将xm1,xm2,xm3,ym1,ym2,ym3带入式(1)方程进行求解，得到xm,ym；(xm,ym)即为第m个目标设备的坐标，完成第m个目标设备的定位。
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