RSSI室內節點定位系統設計

摘要：本文介紹了無線傳感器網絡節點定位系統，分析了系統組成，并且重點介紹了系統硬件和軟件的組成和設計，并對RSSI定位算法在該定位系統上進行了驗證分析。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/145478.htm

關鍵詞：RSSI；節點；定位系統

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.6.009

*基金項目：國家自然科學基金項目（60874103）

引言

無線傳感器網絡的各種應用中，節點的位置信息至關重要[1，2]。針對不同的定位形式，現在已設計出了不同的定位算法，這些定位算法主要從理論上進行了相應的研究，并且使用仿真的方法進行定位算法的驗證，設計實際的節點定位系統對于無線傳感器網絡中各種算法的分析有著更大的現實意義。本文設計了一個無線傳感器網絡節點定位系統（LSBR），并對基于RSSI的定位算法在系統上進行了驗證分析。本文對節點定位系統的組成、硬件、軟件以及試驗方法進行了相應的介紹。

系統組成及硬件設計

系統組成及工作原理

LSBR（Localization System Based on RSSI）定位系統基于RSSI測距原理[3，4]，利用射頻信號實現對室內移動目標的定位，系統由信標節點、目標節點、匯聚節點和位置計算裝置等部分組成，采用了一種主動式的定位架構，由目標節點向信標節點發送射頻信號。其中信標節點一般安裝在屋頂天花板上，目標節點安裝在移動機器人等裝置上。具體的系統組成和工作原理如圖1所示。

定位系統需要目標節點、信標節點、匯聚節點、位置計算裝置協調工作完成定位功能，其中的目標節點具有兩種工作模式，連續模式和命令模式。在命令模式下，當目標節點接收到機器人發出的定位命令后，進行RSSI測距；在連續模式下，目標節點連續發送射頻信號進行RSSI測距。兩者主要工作步驟相似，下面僅對目標節點基于命令模式定位方法的工作步驟進行描述。其中測距公式采用式（1）計算。

通過公式（2）計算出目標節點與各個信標節點的距離d（m），其中的μ為修正系數可通過信標節點的位置可知。

具體工作步驟如下：

（1）信標節點啟動，首先初始化，然后立即進入實時監測射頻同步信號狀態。

（2）目標節點通過串口通信模塊接收到移動機器人的定位請求后，立即發送射頻信號，其中的射頻信號攜帶目標節點的ID信息。

（3）當信標節點接收到射頻同步信號后，立即檢測接收到的ID信息是否與目標節點的ID信息相同。如果不相同則放棄，進入之前的等待射頻接收狀態；如果相同則接收。

（4）信標節點將節點編號、RSSI測量值打成一個數據幀，跟據節點編號順序依次將數據幀通過無線的形式發送給匯聚節點。

（5）匯聚節點收到數據后，根據節點編號利用公式（1）、（2）計算出目標節點與各個信標節點的距離d（m），最后匯聚節點將計算得到的各個信標節點的數據打包，發送給位置計算裝置。

基于定位系統的定位實驗

為了驗證定位系統的定位效果，本文搭建了一個4個信標節點的測試演示系統。信標節點安放在天花板上，其具體安放位置和節點編號如圖 8所示。在靜止目標定位實驗中，設定了5個標定點。該測試系統中，屋頂離地面的高度約為2.8m，本次實驗每個標定點測試了100組數據，由于數據量較大，本文只給出了第一個標定點的測量數據。

使用MATLAB對上表實際測量數據進行定位，其定位效果如圖9所示，500組測量數據的定位誤差如圖10。實測數據的平均定位誤差為2.3m，最大誤差為4.3m。分析可知，造成誤差的主要原因包括兩方面：由系統本身測距誤差造成，該誤差不可避免，主要由空氣溫度、密度不均衡等環境噪聲引起，另外程序執行語句與事件狀態在時間上的細微變化也會對其造成一定的影響，該誤差通過各種優化設計已控制在可接受的3m范圍內；測試系統的安裝誤差，主要是人為造成，可根據定位精度需求及使用環境進行修正。

如圖10所示x軸的某些采樣處出現的較大變化，主要由標定位置變換引起的系統噪聲。從圖中可知系統的實際測試定位誤差小于設計的3.5m。

結論

本文設計了一套基于RSSI室內定位系統（LSBR）。首先描述了基于RSSI的測距定位原理，然后對整個系統的架構和硬件設計進行了詳細描述。軟件部分從系統工作步驟、節點程序設計和定位跟蹤演示軟件部分進行了研究。最后LSBR系統進行了定位方面的實驗，實驗表明定位算法的有效性。

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