基于ZigBee的室內無線定位算法的比較及改進

羅毅++陸儀雯++殷貝迪

摘 要：隨著通信技術的發展，人們對越來越依賴定位功能，特別是在機場大廳、養老院、圖書館、地下停車場和礦山等復雜的環境中，有必要掌握設施、人員等的精確位置信息。由于ZigBee技術具有低功耗、低成本等優勢，所以，被廣泛應用。通過比較ZigBee技術中的不同算法發現，利用基于RSSI測距的分步定位法可以獲得最高的定位精度。

關鍵詞：ZigBee；分步定位法；RSSI測距；定位精度

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.078

1 研究目標

通過比較基于ZigBee的4種室內無線定位算法，找出最優的算法，并進一步改進其精度。

2 研究內容

利用matlab仿真比較4種無線測距算法的精度，以參考節點為圓心，測出距離為半徑做圓的方法，并找出移動節點。

2.1 基于到達時間的測距技術（TOA）

基于TOA的測距技術是利用信號的傳輸速度和時間來計算節點之間的距離，可用公式為：

D=v[（T3-T0）-（T2-T1）]/2. （1）

式（1）中：D為節點間距離；v為信號速度：T3為二次接收時間；T0為一次發射時間；T2為二次發射時間；T1為一次接收時間。

2.2 基于到達時間差的測距技術（TDOA）

基于TDOA的測距技術是用來計算發射節點發出的2種不同信號到達接收節點的時間差與傳播速度得到節點之間的距離。具體公式為：

d=[（T3-T1）-（T2-T0）]（v1v2/（v1-v2）. （2）

式（2）中：d為節點間距離；v1，v2為2種信號的速度。

2.3 基于到達角度的測距技術（AOA）

在基于AOA的測距技術中，信號入射角度為a，天線之間的距離為d，無線信號波長為m，相鄰兩個天線接收到的信號角度差為b，天線陣列1坐標設為（0，h），天線陣列2坐標設為（0，0），發射節點對兩個天線的入射角為a和c，由此得待定位發射節點的坐標公式為：

x=h/（cota+cotc）. （3）

y=hcotc/（cota+cotc）. （4）

2.4 基于信號強度的測距技術（RSSI）

室內的無線信號傳播損耗與傳播距離d有關，還與傳播路徑中的阻擋有關，常用的距離損耗模型為：

RSSI=RSSI0+10klog（d/d0）+f. （5）

式（5）中：RSSI為距離是d時接收到的信號強度；RSSI0為距離是d0時接收的信號強度；k是路徑損耗指數，與建筑物的性質有關；d為真實距離；d0為參考距離；f為一個符合高斯分布的隨機數，均值為零，是用來表示路徑損耗的速率。

在實際應用中，距離損耗模型通常為d0=1 m。由此可得到的RSSI測距公式的實際應用為：

RSSI=-[RSSI～+10klog（d）+f]. （6）

式（6）中：RSSI～為距信號源1 m處接收到的信號強度平均絕對值。

由此可簡化得：

d=10^[（-RSSI～-RSSI）/（10k）]. （7）

作圓法會有相當大的缺陷，因為每個節點的硬件和功耗都不一樣，測得的距離會有一定的誤差，所以，這些圓可能不會交于一點。事實上，應該是相交于中間一塊小區域。因此，利用這樣的方法得出的參考節點坐標存在一定的誤差。鑒于此，相關人員需要通過改進算法來獲得一個誤差相對較小的位置，以提高結果的精確度。

3 利用分步定位法改進RSSI算法

分步定位法的步驟是：①分別將參考節點A，B作為圓心，將測得的參考節點到移動節點的距離RA，RB為半徑做圓，則2個圓會有3種關系，即兩圓相離，兩圓相切，兩圓相交。②當兩圓相離時，移動節點O在線段AB上的相對位置OAB可以用|AOAB|∶|BOAB|=RA∶RB來定位；當兩圓相切時，移動節點O在線段BC上的相對位置OBC就是該切點；當兩圓相交時，以其他參考節點B的坐標作為方向參考，可以選擇一個交點作為移動節點O在線段AC上的相對位置OAC.③再分別以另外兩對參考節點為圓心，重復①②兩步，可分別得到移動節點O相對于AC的位置OAC和相對于BC的位置OBC.④OAB，OAC，OBC3點的中心坐標即為移動節點O的實際位置。

使用分步定位法只要3個參考節點。此外，采用分步定位法分別計算OAB，OAC，OBC的坐標，然后得出移動節點O的坐標。這樣，就可以將由于環境噪聲帶來的誤差抵消，從而得到更高的精度。

4 基于RSSI的作圓法和分步定位法的比較

4.1 作圓法

利用matlab對RSSI測距下的作圖法進行仿真，具體如圖1所示。

4.2 分步定位法

利用matlab對RSSI測距下的分步定位法進行仿真，具體如圖2所示。

5 結論

采用作圓法計算移動節點的位置坐標比較分散，與實際坐標的位置偏離較遠，誤差比較大。因為作圓法沒有去除環境噪聲，而噪聲的疊加會嚴重影響定位精度。采用分步定位法計算得到的坐標與實際坐標比較近，誤差比較小。這是因為分步定位法先分別定位出3個參考節點中的兩兩節點與實際對應的坐標。這樣做，減小了作圓法中環境噪聲帶來的測距誤差。然后用相對坐標計算出目標坐標，可降低對硬件性能功耗的要求，提高定位精度，增強系統的穩定性。

〔編輯：白潔〕