基于Zigbee及RSSI的養老院室內定位系統的開發

張鳳英

摘要 我國人口老齡化狀態日益嚴重，未來養老院養老勢必成為主流。本文針對養老院場地較大，老人發生安全問題時，人員無法及時定位救助的問題，設計了一種基于Zigbee技術的室內無線定位系統。本設計采用TI公司的CC2530芯片作為系統核心，基于Z-STACK協議棧，使用IAR軟件平臺開發。經實際測試該定位系統易于操作、精度較高，是一種適應性較強的定位系統。

【關鍵詞】Zigbee 室內定位CC2530 RSSI

1 引言

近年來，隨著生活水平的日益提高及醫療技術的不斷發展65歲以上的老齡化人口越來越多，養老方式成為社會研究的重要課題，這其中養老院養老成為越來越多老齡人口選擇的養老方式，老年人隨著年齡增長慢慢會得的老年病，典型的阿茲海默癥，失智癥，在老年群體越來越嚴重。所以對于在養老院養老的老齡人口進行及時定位救助非常有必要。ZigBee技術是一種易于施、能耗低、復雜度低、花費低的無線通信技術?；赯igBee的定位方式所采納無線射頻信號能夠進行較為健壯的傳輸，是一種較為穩定的系統。再者ZigBee更多的關注于低數據傳輸速率，其更加適用于節點個數多、分布區域廣、所處環境復雜等特點的定位需求。

2 系統整體設計

2.1 定位系統結構設計

與其他定位網絡架構相比較，ZigBee定位網絡在鋪設己知錨節點和需求取未知節點外，還需要協調器（網關）這關鍵一環才能構建并達成設計目的。網關是整個系統中的重要角色，首先它需要能夠響應主機發出的命令，打開網絡，等待其他類型節點訪問網絡，并接收節點發送回來的數據，將數據傳輸到上位機進行處理。對錨節點而言是無法移動節點，其各自的位置參數是已明確設置的。它的任務是獲取包括RSSI參數等定位相關參數并對所需參量采取合理算法進行處理。最后，發送盲點填充的參數均值后，發送盲點填充參數，將協調器返回到上位計算機軟件處理。而且能起到鏈路路由的作用進行數據中繼。盲節點是可在錨節點的物理范圍內隨機移動的非固定節點，定位的目的是獲取本類節點的坐標參數。

2.2 定位系統方法研究

基于RSSI（接收信號的強度指示值）的定位方法是一種普遍適用的方法，節點依據接收信號的強度指示值與傳送距離的相合映射關系（函數關系式）得到距離參數。這是定位流程中最為核心的環節，必須在完成了這一核心環節后，進而調用其他各類定位算法計算盲節點的位置信息。

2.2.1 理想測距模型

理想狀況下，RSSI是接收雙方間所傳輸功率和距離的映射關系。接收信號強度一般為負值隨著距離的增加而減少。下面公式4.1給出了RSSI與距離d的理想關系。該式中，λ為信號傳播常量，也稱為傳播指數;d是信號放射距離。A是在1m處的接收信號強度值。

RSS/（d）=-（lOλlgd+A）

（1）

在實驗室環境下為了獲取一個有實際意義的理論關系式，在環境中的多個位置布設兩個節點間距1米情況下，測試10次RSSI值，取平均值得到A，則n取1～5一個數值的時候，可以繪制接受信號強度值的擬合曲線。通過曲線得到RSSI和距離的關系式。其他盲節點信號強度值可以通過這些關系轉換為相應的距離d。在得到距離信息后，使用某種基于距離的定位幾何數學算法即可得到坐標完成任務要求。

2.2.2 模型參數優化

在通過協議棧獲取改進的RSSI參數值后，緊接著把RSSI值用響應算法對應程序語言實現距離的轉化。對于封閉建筑這類復雜度較高的空間場景而言，已有的自用空間模型等模型已不在符合，一種基于統計學模型的對數路徑損耗模型是目前較為常用的模型，它已實現于多樣化實際區域中取得證實，其通用模型為下式：

在公式中，RS（d）代表距離發射點d（單位：m）處接收到的RSSI值，測量值在運算時可使用絕對值。RS（do）代表距離發射點do處接收到的RSSI值，也稱參考衰減RSSI（ReceivedSignal Strength Indication）值，其中do稱為參考距離，一般情況下取一米。λ為路徑動態衰減指數，表示信號依據傳送距離的增加其功率的衰減速度，該值與所處環空間因素有很大關系，取決于現場區域的類型。ξ來表示一個均值為0、標準差為σ的高斯分布隨機噪聲，其在不同室內場景下的賦值也是有差異一般在3.0到14.0 dB。

則由上面公式推算得到盲節點與錨節點的距離d為：

式中RS（d）、λ和ξ稱為模型參數值，三個實參一起決定距離的最終求取值。為提高使用性一般情況下采用多次測量多種環境下參數值進行賦值。此次方案可移植性杰出，在實際場景改動后不必對常量重新測量后系統設置模型參數值，而依托自身算法重新給定參數。

2.2.3三邊定位算法

基于RSSI的三邊定位算法是未知點的己知三點坐標和RSSI的信號值，這三個點被解決，未知坐標被求解。第一種是將RSSI信號值轉換為從未知點到三點的距離，剩下的是解決未知點坐標問題。我們都知道，兩個圓將在一個或兩個點相交（如果相交），那么三個圓，如果它們相交，必然會在一個點相交（這里不考慮三個檢測裝置在直線上有兩點相交）所以我們需要解決的盲節點是以三個己知節點為中心繪制的三個圓的交點，以及它們與未知節點的距離作為半徑，如圖1所示。然后，坐標求解轉化為找到三個己知圓的交集，然后根據圖形幾何關聯求方程。

在實際應用過程中，很多時候存在導致三個圓也許無法匯聚一點，假設移動節點僅在參考節點的物范圍內活動，則會產生如圖2所示的四種情形，所以在實際操作中，首先需要判斷三個圓中哪幾個相交，采用的辦法是將三個圓的方程兩兩組合，根據計算判斷是否有解。

如果方程（1）有解（x12，y12）、（x21，y21），判斷其中哪個點到（x3，y3）的距離近，選取該點為D;如果方程（2）有解（x13，y13）、（x31，y31），判斷其中哪個點到（x2，y2）的距離近，選取該點為F;如果方程（3）有解（ x23，y23）、（x32，y23），判斷其中哪個點到（xl，yl）的距離近，選取該點為E;所求盲節點的二維坐標即三角形DEF的中心坐標。如果其中方程（1）無實根，則連接兩圓圓心，與圓相交兩點的直線中心就是D;對于方程（2）、（3）無實根情況下，E、F點也依此求得，就此則可獲取中心作為移動節點坐標。

3 定位系統實現

3.1 硬件設計

硬件設計包括核心模塊和擴展模塊兩大部分，核心模塊選擇TI公司的CC2530片上系統，該芯片集成了無線收發器和增強型8051處理器。并在在單芯片上組裝了ZigBee無線電磁發射模組，存儲器和MCU。供電電路采用直流（Direct Curren）電池模組供能，直流為5V電源適配器。移動節點采用4節5號電池進行供能。協調器模塊需要和上位機通信，所以除了必要的無線通信外還需要串口通信功能，為方便調試串口通信使用Prolific公司生產的一種高度集成的RS232-USB接口轉換器。硬件功能模塊圖如圖3所示。

3.2 定位系統軟件設計

無線傳感網絡定位的基本思想是將盲節點附近所有的節點無線覆蓋范圍內的己知錨節點的信號強度值傳輸給協調器，同時利用相應的定位算法，由協調器將信號強度值傳遞到上位機監控軟件，計算出未知節點的坐標值并進行顯示。協調器建立網絡成功后，首先向盲節點廣播發送請求定位幀。盲節點收到上述廣播幀后，將封裝有RSSI值和步跳數設置為1的結構體數據包進行廣播，保證只有在單跳范圍內的參考節點才能接收到該封裝信息包。

參考節點對一跳范圍內的錨節點接收到RSSI信號進行預處理，記錄該盲點的RSSI值，由于無法處在理想場景下存在干擾波動，該數值并非穩定不變。因此各錨節點可對收取的RSSI值進行適當加工，即簡單的對RSSI值求和作平均。盲節點發送RSSI的數據包請求信號，接收到數據包請求命令信號后，參考節點將各種所需參數值按特定協議封裝，發送到盲節點。盲節點將數據包發送到協調器。考慮到協調器將組網和串口通信功效用外，仍可兼具錨節點部分效用，所以僅需編譯兩類相近的算法與數據結構。盲節點定位流程圖如圖4所示。

3.3 上位機軟件設計

協調器將收到的數據通過下述過程發送給主機進行位置信息的顯示，基于ZigBee網絡定位系統PC處理軟件中，與定位相關的功能主要包括兩大類：串口通信和訊息處置。定位信息處理包括2個方面：

（1）提供PC和網關節點硬件與軟件接口，PC通過調用串口與網關來交互。

（2）區塊定位。移用相應定位算法實現程序，打印串口發送數據在PC端顯示獲取未知節點二維坐標訊息，并顯示和保存定位二維坐標。協調器發送數據給主機流程如圖5所示。

4 定位測試與誤差分析

通過比較未知節點標準位置與多次實測節點的二維坐標值進行為誤差分析，設置標準節點的位置坐標為（0.5，0.5），為了提高系統測試精度，數據進行10次采集。將十次結果進行平均值，通過測試計算得X平均值為0.51603米，Y平均值為0.48896米，X值的誤差為1.063%，Y值的誤差為2.208%。整體測量誤差在正負1.635%。如表1所示。

5 總結

本文論述了基于Zigbee技術和RSSI的室內定位技術，詳細說明了室內定位系統的基本原理和算法，從理想模型出發，優化了RSSI算法，計算出盲節點與參考節點之間的準確距離;最后在上位機中通過串口打印位置信息，利用校園室內環境進行實際測試，測試結果表明該對于平面定位需求該系統定位精確，誤差小。后續將進行節點合理封裝，適宜佩戴，并且考慮增加參考節點個數，實現不同樓層間精確定位。

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