基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的人員定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

千承輝，張希明，徐丹琳，陳鈺佳，易曉峰

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

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基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的人員定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

千承輝，張希明，徐丹琳，陳鈺佳，易曉峰

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

針對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)精度不高的問題，采用基于校正模型的三邊測距質(zhì)心定位算法實現(xiàn)人員定位。通過研究ZigBee無線通信技術(shù)，分析無線電傳播路徑損耗模型，結(jié)合實驗測試得到RSSI測距模型。引入高斯濾波模型和自校正模型修正測距值，在三邊測量法的基礎(chǔ)上結(jié)合質(zhì)心定位思想，以三圓相交部分的質(zhì)心作為盲節(jié)點的估算位置。經(jīng)試驗測試，該系統(tǒng)的定位誤差小于10 %，有效地降低了環(huán)境引起的盲節(jié)點位置誤差，提高了定位精度。

三邊測距質(zhì)心定位算法；高斯濾波；自校正模型；ZigBee；RSSI

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和軟件三部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、低成本、靈活鋪設(shè)的實時數(shù)據(jù)采集[1]。目前已有的大多數(shù)WSN僅限于采集光強(qiáng)、溫度、濕度、壓力等標(biāo)量數(shù)據(jù)[2]。在WSN的許多應(yīng)用場合諸如環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)監(jiān)視以及安全監(jiān)控等，傳感器節(jié)點的位置信息十分重要，很多其他的服務(wù)都是基于位置的，信息要和位置捆綁在一起才有意義。在不增加成本投入的前提下，利用WSN的自身特點，完成節(jié)點定位功能具有廣闊的發(fā)展空間和重要的應(yīng)用研究價值。

本文利用近年新興的短距離、低功耗、低成本的ZigBee無線通信技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用基于校正模型的三邊測距質(zhì)心定位算法實現(xiàn)人員定位系統(tǒng)的設(shè)計。

1 算法模型

三邊測距質(zhì)心定位算法由測距過程、定位過程和修正過程三部分組成。具體描述如下：

(1)利用RSSI模型獲取無線網(wǎng)絡(luò)中盲節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點的間距；

(2)由定位模型得到盲節(jié)點的位置信息；

(3)對測距模型和定位模型進(jìn)行修正，減小定位誤差。

1.1 RSSI測距模型

RSSI是接收信號強(qiáng)度指示值。公式(1)表示信號的發(fā)射功率與接收功率之間的關(guān)系，PT是信號的發(fā)射功率，PR是信號的接收功率，d是收發(fā)芯片的距離，n是傳播路徑衰減因子，由當(dāng)前無線電傳播環(huán)境決定[3]。

PR=PT/dn

(1)

PR(dBm)=PT(dBm)-10nlgd

(2)

PR(dBm)=PR_1(dBm)-10nlgd

(3)

PR_1是收發(fā)芯片相距1 m時的接收功率，由公式(3)可看出收發(fā)芯片的間距與RSSI值的關(guān)系由1 m處的接收功率和傳播路徑衰減因子決定。在傳播過程中，各種媒質(zhì)對無線電信號的干擾越小，基于RSSI的測距就會越精準(zhǔn)。

1.2 三邊測距質(zhì)心定位模型

三邊測距質(zhì)心定位算法是在三邊測量定位算法的基礎(chǔ)上引入質(zhì)心算法的思想[4]，解決了三邊測量定位算法中方程組無解的問題，使得估算出的節(jié)點坐標(biāo)值更加準(zhǔn)確。

圖1 三邊測量法模型示意圖

1.2.1 三邊測量法

如圖1所示，設(shè)D點坐標(biāo)是(x,y)，A、B、C三點的坐標(biāo)分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc，yc),它們到D點的距離分別是da、db和dc。

根據(jù)以上信息可得下列方程組，聯(lián)立可求得D點坐標(biāo)。

(4)

(5)

(6)

1.2.2 質(zhì)心算法

質(zhì)心算法是一種基于WSN連通性的室外定位算法，由美國南加州大學(xué)的布魯斯等人提出：以定位節(jié)點通信范圍內(nèi)的所有參考節(jié)點幾何質(zhì)心作為其估算位置[5]。假設(shè)其監(jiān)聽到的與之連通的信標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)、(x5,y5)，則其質(zhì)心坐標(biāo)為:

1.2.3 三邊測距質(zhì)心定位算法

在實際定位過程中,由于測距帶來的誤差常得到如圖2所示的情況[6]。

圖2 三邊測距質(zhì)心定位模型示意圖

根據(jù)公式(4)、(5)、(6)可分別求得圓A與圓C的交點(xac1,yac1)、(xac2,yac2)，圓A與圓B的交點(xab1,yab1)、(xab2,yab2)，圓B與圓C的交點(xbc1,ybc1)、(xbc2,ybc2)。

分別將兩圓的交點及第三圓圓心坐標(biāo)代入公式(7)，判斷距離值，找出兩點中靠近第三圓圓心的點。如圖2所示，判斷可得離圓A、圓B和圓C圓心較近的點分別為(xbc1,ybc1)、(xac1,yac1)和(xab1,yab1)。依據(jù)質(zhì)心思想，以三圓相交部分的質(zhì)心作為盲節(jié)點的估算位置，由公式(8)計算盲節(jié)點的坐標(biāo)值。

d=(x-x0)2+(y-y0)2

(7)

(8)

1.3 三邊測距校正模型

在定位系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，由于環(huán)境因素的干擾，會導(dǎo)致RSSI值不穩(wěn)定，在不同的環(huán)境下電磁波傳播路徑衰減因子也會發(fā)生變化。針對這些問題，本文提出高斯校正模型和信標(biāo)節(jié)點自校正模型修正定位結(jié)果，以提高定位精度。

圖3 高斯校正模型流程

1.3.1 高斯校正模型

信號在傳輸過程中受突發(fā)事件干擾是小概率事件，此時RSSI值與正常值偏差較大，對測距的影響較大。通過高斯濾波選擇概率較高的RSSI值之后再取其平均值[7]，可以降低環(huán)境擾動對測距值的影響，減小定位誤差。具體校正流程如圖3所示。

(9)

(10)

(11)

0.6≤F(x)≤1

(12)

(13)

1.3.2 信標(biāo)節(jié)點自校正模型

系統(tǒng)中信標(biāo)節(jié)點的位置信息是已知的，利用信標(biāo)節(jié)點相互通信，分別記錄對應(yīng)的發(fā)射功率、接收功率和收發(fā)芯片的間距，由公式(1)可求得傳播路徑衰減因子n值。將測量得到的n值作為當(dāng)前環(huán)境下傳播路徑衰減因子，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性。校正流程如圖4所示。

圖4 信標(biāo)節(jié)點自校正模型流程

2 算法實現(xiàn)

算法的實現(xiàn)分為組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)、測距、修正和定位4個步驟?？紤]到實際定位系統(tǒng)對功耗、成本的要求，系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計與實現(xiàn)人員定位系統(tǒng)。算法的具體實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 算法實現(xiàn)流程

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中有協(xié)調(diào)器、路由器和終端3種功能節(jié)點。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息幀的路由，終端節(jié)點負(fù)責(zé)具體功能的實現(xiàn)[8]。

系統(tǒng)中信標(biāo)節(jié)點由已知位置信息的路由器節(jié)點充當(dāng)，其數(shù)量和密度決定了定位精度。盲節(jié)點由終端節(jié)點充當(dāng)，綁定在人員身上，每隔固定時間在網(wǎng)絡(luò)中廣播自身的ID信息。

2.2 信標(biāo)節(jié)點自校正過程

在組建好的網(wǎng)絡(luò)中將所有信標(biāo)節(jié)點加入同一組內(nèi)，選定其中一個信標(biāo)節(jié)點執(zhí)行圖4所示的校正過程，得到當(dāng)前環(huán)境下的傳播路徑衰減因子n。

2.3 測距過程

(1)盲節(jié)點廣播自身身份標(biāo)識及網(wǎng)絡(luò)地址；

(2)信標(biāo)節(jié)點收到上述廣播信息幀后返回自身的坐標(biāo)信息、網(wǎng)絡(luò)地址作為應(yīng)答；

(3)盲節(jié)點接收應(yīng)答信息，統(tǒng)計可直接與自身通信的信標(biāo)節(jié)點；

(4)盲節(jié)點依次與符合條件的信標(biāo)節(jié)點點對點通信，記錄RSSI值和相對應(yīng)信標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)并上傳至上位機(jī)；

(5)上位機(jī)利用高斯濾波模型對上述步驟記錄的幾組RSSI值做濾波處理，之后由測距模型轉(zhuǎn)換為盲節(jié)點與眾多信標(biāo)節(jié)點的間距。

2.4 定位過程

上位機(jī)采集盲節(jié)點與在其通信范圍內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點之間的距離并選取其中距離較短的三點。利用三邊測距質(zhì)心定位模型，由式(4)～(8)可得盲節(jié)點坐標(biāo)值。

3 實驗測試

實驗采用TI公司的CC2530射頻收發(fā)芯片搭建無線通信平臺。該芯片兼容IEEE802.15.4規(guī)范，結(jié)合了德州儀器的ZigBee協(xié)議棧(Z-StackTM)，實測可靠通信距離在30 m以上。實驗中設(shè)計了1個協(xié)調(diào)器節(jié)點、4個信標(biāo)節(jié)點、1個盲節(jié)點和1個簡單的上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，與PC通過有線的方式連接，將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)對收集到的數(shù)據(jù)分析處理后計算出盲節(jié)點的坐標(biāo)存儲并顯示。實驗分為以下兩部分：

3.1 對RSSI測距校正模型效果的驗證

實驗選定兩個節(jié)點進(jìn)行點對點通信，測試不同校正模型的測距誤差。在0～10 m的范圍內(nèi)每隔0.5 m選定一個測試點，采用不同的校正算法：

①不使用校正模型；

②采用高斯校正模型；

③采用信標(biāo)節(jié)點自校正模型修正傳播路徑衰減因子后使用高斯校正模型。

三種模型的測距效果如圖6所示?？梢娛褂眯艠?biāo)節(jié)點自校正模型修正傳播路徑衰減因子之后再采用高斯校正模型的效果明顯優(yōu)于其余兩種。

圖6 測距效果測試圖

3.2 定位效果綜合檢測

將4個信標(biāo)節(jié)點分別放置在邊長為2.5 m的菱形頂點處，盲節(jié)點在菱形范圍內(nèi)移動，分析采用校正模型后的系統(tǒng)定位精度，測試結(jié)果如圖7、表1所示。

圖7 定位效果測試圖

圖7是盲節(jié)點的實際移動曲線和測試結(jié)果對比圖。分析表1中具體數(shù)據(jù)可以得出，系統(tǒng)在X方向的最大定位誤差為20 cm，約為定位范圍邊長的8%；在Y方向上最大定位誤差為9 cm,約為定位范圍邊長的3.6%。從測試結(jié)果來看，系統(tǒng)的定位誤差較小，可滿足大多應(yīng)用場合對定位精度的需求。

表1 測試結(jié)果與實際值 對照表 (cm)

4 結(jié)論

本文在三邊測距質(zhì)心定位算法的基礎(chǔ)上引入高斯校正模型和信標(biāo)節(jié)點自校正模型實現(xiàn)人員定位。通過高斯濾波模型避免了在測距過程中一些小概率事件的干擾，利用信標(biāo)節(jié)點自校正模型修正傳播路徑衰減因子，減小環(huán)境對系統(tǒng)定位精度的影響。

經(jīng)試驗測試，系統(tǒng)的定位誤差小于10 %，有效地降低了環(huán)境引起的盲節(jié)點位置誤差，提高了定位精度。在后續(xù)的研究中可以結(jié)合CC2591功率放大芯片提高CC2530芯片的收發(fā)靈敏度，進(jìn)一步擴(kuò)展定位范圍，使系統(tǒng)更具有實用價值。

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Design and implementation of personnel positioning system based on ZigBee wireless sensor network

Qian Chenghui，Zhang Ximing，Xu Danlin，Chen Yujia，Yi Xiaofeng

(College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University,Changchun 130012,China)

Aiming at the problem of low accuracy of the existing wireless sensor network positioning system, in the paper, the three side location algorithm based on the calibration model is used to realize the positioning of the personnel. Through the research of ZigBee wireless communication technology，analysis of radio propagation path loss model, combining RSSI(Received Signal Strength Indication) ranging model by experiment test, and introducing the Gaussian filter model and the self correction model to correct the range values. On the basis of the three side measurement method which combined with the idea of centroid localization, using the estimation position of the centroid of the three circle intersection as the blind node. By testing, the positioning error of the system is less than 10%, which reduces the blind node position error caused by the environment effectively and improves the positioning accuracy.

three side ranging centroid localization algorithm; Gaussian filter; self correction model ; ZigBee; RSSI

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(2015651013)

TN929.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.022

千承輝，張希明，徐丹琳，等. 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的人員定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(21)：72-74,78.

2016-06-13)

千承輝(1975-)，女，博士，高級工程師，主要研究方向：傳感器與微弱信號的檢測。

易曉峰(1985-)，通信作者，男，博士，講師，主要研究方向：磁共振探測方法研究及設(shè)備開發(fā)。E-mail:yixiaofeng1985@126.com。