一種基于ＲＳＳＩ技術(shù)的大樓定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

摘要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對于無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測至關(guān)重要，該文提供了一種可實(shí)現(xiàn)的大樓人員定位系統(tǒng)方案。采用基于RSSI技術(shù)，定位精度在3m左右，具備可擴(kuò)展性的特點(diǎn)和信息采集能力。

關(guān)鍵詞：RSSI；人員定位系統(tǒng)；三邊測量定位

中圖分類號：TN929文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)23-1061-02

A Received Signal Strength Indicator Based on Floor Location System

QIAN Jing，YU Jian-li，LIU Hao

(Southeast University， Nanjing 210096，China)

Abstract:With the development of wireless sensor network， it has been important to localize thesensor node. The location of sensor nodes contain the information of the place where occurrences are detected and where the data of sensor node come from. Now， base the localization ways could be carved up into two part， one is rang-based， another is range-free. Rang-based technol have received signal srength indicator， time of arrival， time difference of arrival， angel of arrival and so on. This location system is based on RSSI， realizes the localization of sensor node and the sense data collection.

Key words: RSSI Person; location and tracking;trilateration

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種應(yīng)用層出不窮，而節(jié)點(diǎn)的位置信息在監(jiān)測活動中顯得至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測消息中所必須保護(hù)的重要信息，因為沒有位置信息的監(jiān)測消息往往毫無意義。因此，確定事件發(fā)生的位置或確定獲得消息的節(jié)點(diǎn)位置是無線網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵的作用。定位技術(shù)可廣泛用于公共安全，醫(yī)療，工業(yè)控制，軍事等各個領(lǐng)域。

目前的定位算法從定位手段上分為兩大類:基于測距算法和無需測距算法基于測距算法通過測量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度信息，使用三邊測量、三角測量或最大似然估計定位法計算節(jié)點(diǎn)位置。無需測距定位算法則不需要距離和角度信息，算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位。RSSI技術(shù)是一種測距技術(shù)，本文提出的是基于RSSI測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)的定位系統(tǒng)。

1 RSSI技術(shù)介紹

RSSI為接收信號強(qiáng)度，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號的強(qiáng)度，計算出信號的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計算出節(jié)點(diǎn)的位置。該技術(shù)主要使用RF信號，因定位節(jié)點(diǎn)本身具有無線通信能力，故其是一種低功率、廉價的測距技術(shù)。

三邊測量定位算法介紹：算法的基本思想是每個節(jié)點(diǎn)通過一個互相交疊的環(huán)形區(qū)域集合來限制它所在的可能區(qū)域。當(dāng)A、B、C三個節(jié)點(diǎn)收到S的信號，判斷強(qiáng)度，通過轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為距離，考慮到存在誤差，則可作出圖1的圓，則可獲得三個兩圓相交的點(diǎn)，假如出現(xiàn)三圓均不相交，則說明測量問題，或修正系數(shù)，根據(jù)這三點(diǎn)的位置，作三角形，那么，該三角形的質(zhì)心則為S所在位置。

2 系統(tǒng)整體方案

整個系統(tǒng)由三部分組成：控制中心、基站、定位節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)采用無線監(jiān)測和有線傳輸?shù)亩壖⑹奖O(jiān)測系統(tǒng)，在多個房間設(shè)置基站，當(dāng)定位節(jié)點(diǎn)走到某個房間，房間內(nèi)的基站監(jiān)測該定位點(diǎn)的信號，并將定位點(diǎn)信息和信號強(qiáng)度發(fā)給控制中心處理，并判斷定位的位置，各個基站采集數(shù)據(jù)經(jīng)由局域網(wǎng)傳回控制中心，控制中心匯集采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在監(jiān)視屏上顯示出人員的身份、位置等其他信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 定位節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計

3.1.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理單元

MC13213是freescale公司推出的一款SOC芯片，它主要由兩部分組成：微處理器和射頻模塊。微處理器采用8位的HCS08內(nèi)核，射頻模塊的工作頻段是2.4GHz， 接收靈敏度<-92dBm可選，發(fā)送功率-28.7~+3.4dBm可選。可獲得信號強(qiáng)度。

MC13213的射頻模塊需要一個高精度的16MHz晶振，同時射頻模塊在正常工作時CLKO引腳可以選擇輸出16kHz～16MHz的方波。因此MC13213可以選擇采用外部晶振作為時鐘源，也可以直接利用射頻模塊的CKLO作為外部參考時鐘源，本設(shè)計從低功耗的目的出發(fā)，選擇了兩個外部晶振的方案。

3.1.2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收發(fā)電路

處理器將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，通過SPI總線寫入射頻模塊的TX FIFO，并將射頻模塊設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)。射頻模塊將FIFO中的數(shù)據(jù)加上幀頭和CRC校驗碼組成一個完整的發(fā)射數(shù)據(jù)包，然后將該數(shù)據(jù)包進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻后通過O-QPSK調(diào)制發(fā)送出去。

當(dāng)射頻模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時，首先將信號進(jìn)行O-QPSK解調(diào)，將解調(diào)得到的二進(jìn)制流進(jìn)行反直序擴(kuò)頻，從而得到一個完整的數(shù)據(jù)包。將該數(shù)據(jù)包丟去幀頭幀尾后存入射頻模塊的RX FIFO，并通過中斷通知處理器。

3.1.3節(jié)點(diǎn)電源管理

由于采用電池供電，為了提高電池使用時間并保證系統(tǒng)穩(wěn)定，采用低壓降線性穩(wěn)壓器美國國家半導(dǎo)體的LP38693，輸入電壓2.7～10V，并有多種輸出電壓選擇，靜態(tài)電流100uA。

3.2 基站硬件設(shè)計

基站采用有線局域網(wǎng)和控制中心通信，以滿足大量采集數(shù)據(jù)的傳輸。由于MC13213資源有限，故采用東芯SEP3203F50實(shí)現(xiàn)。該芯片采用ARM7內(nèi)核，75MHz主頻，接口完善。無線收發(fā)改采用chipcon的CC2420。

4 軟件設(shè)計和定位算法

首先，建立模型，設(shè)三個基站的位置分別為(xa，ya)，(xb，yb)，(xc，yc)。設(shè)未知點(diǎn)位置為(x，y)；三個基站測得平均信號強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成的距離為da，db ，dc ，則有公式

由此可得(x1，y1)，(x2，y2) ，(x3，y3)，據(jù)此可算出處于質(zhì)心的未知點(diǎn)的位置(x，y)。在實(shí)際應(yīng)用中1)由于測量距離的誤差，可能出現(xiàn)三圓無重疊區(qū)即方程無解的情況，則認(rèn)為測量錯誤，重新測量。2)利用歷史數(shù)據(jù)校正，由于人體在樓內(nèi)移動速度在10米/秒以內(nèi)，超出該值的位置也認(rèn)為錯誤，重測。

另外，針對走廊布置三個基站根據(jù)未知點(diǎn)X和A、B、C三個節(jié)點(diǎn)的距離來確定X點(diǎn)的位置。

算法過程：

1）定位節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送自身信息：節(jié)點(diǎn)標(biāo)號，自身信息。

2）基站收到節(jié)點(diǎn)信息，記錄節(jié)點(diǎn)標(biāo)號，和平均RSSI值并其上傳至控制中心。

3）控制中心記錄所有基站關(guān)于該定位節(jié)點(diǎn)位置信息。每房間三個基站，走廊三個基站，選出其中平均信號最強(qiáng)的一個房間或者走廊，以該房間的三個基站數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用三邊測量定位計算該節(jié)點(diǎn)在該房間的具體位置。

5 系統(tǒng)測試

測試選用一層樓8個房間和一條走廊。定位節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度0dBm，每個房間布3個基站，走廊一共布三個基站。移動定位節(jié)點(diǎn)3個，測試情況分為，在各個房間之間移動和不移動，以及三個節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)入一個房間，此后逐個增加節(jié)點(diǎn)，分別測試每種情況。測量

位置和實(shí)際位置對比，結(jié)果不移動定位誤差在15℅，移動定位誤差在2℅，隨定位人員數(shù)量增加，當(dāng)人員密度增大到2 /人。人員定位精度迅速下降。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)大樓人員定位，但仍然存在問題，在大量攜帶未知節(jié)點(diǎn)的人進(jìn)入某個房間時，對節(jié)點(diǎn)信號的干擾很大，大大削弱信號強(qiáng)度，同時大量定位信息涌入控制中心，導(dǎo)致控制中心附近通信開銷增大，嚴(yán)重影響定位精度。

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