基于ZigBee和RSSI測距算法的室內定位系統設計

藍芳萍+張文錦+殷旭東

摘 要：移動終端室內定位技術需求日益增加，解決方案多種多樣，但已有技術存在實現困難、硬件功耗大、環境變化不適應等問題。闡述了基于ZigBee協議和RSSI測距算法實現室內定位的基本原理，并以此理論為基礎設計了室內定位系統。設計了室內定位系統整體架構，闡述了室內定位系統關鍵技術，包括RSSI測距模型、參數優化、節點RSSI閾值處理、盲節點坐標計算及ZigBee自組網。選取實驗樓進行測試，結果表明，基于該技術的定位系統精確度較高，且具有節能和環境適應性好等優點。

關鍵詞：室內定位；ZigBee技術；RSSI測距

DOIDOI：10.11907/rjdk.172262

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0105-03

0 引言

室內定位技術[1]蓬勃發展，技術方案有基于測距技術和基于非測距技術兩大類。基于測距技術的算法有AOA、TOA、TDOA和RSSI；基于非測距技術的算法有DV-HOP、質心算法等[2] 。

室內定位技術多樣、室內環境復雜，對該技術的研究較多。如唐銘等[3]研究比較了TDOA與TOA這兩種基于測距技術的方法，得出TDOA的定位精度更高但實現難度較大的結論；魏培等[3-4]將三角形質心算法改進為內三角形質心算法，用以解決基于非測距質心算法定位精度低、穩定性差等問題，但算法流程多，實現較復雜；干建勇等[5]為了解決DV-HOP算法精度低的問題，提出改進算法ECDV-HOP，但改進后存在通信量和計算量明顯增大，算法代價高等問題。RSSI測距[6]算法難度較低，易于實現，不需要額外增加硬件設施，是大多數室內定位系統的首要選擇。

在藍牙、WiFi、超聲波、ZigBee等短距離無線通信技術中，藍牙通信技術雖然成本功耗低，但傳輸性能差穩定性差；WiFi在生活中常見，用于室內定位可說是一舉兩得，但現有的WiFi定位技術依賴于熱點位置，若要實現較準確的定位，需布置充足的WiFi熱點，成本高功耗大；超聲波技術用于室內定位準確度高，但易受障礙物影響且設備成本高。ZigBee[7]作為一種低成本、低功耗、低速率的短距離無線傳感網絡技術，信號傳輸不受視距影響，用于室內定位系統有獨特優勢。因此，本系統采用具有低成本、低功耗的ZigBee通信協議和RSSI測距技術，實現室內定位。

1 系統整體設計

系統由ZigBee無線傳感器網絡、上位機和用戶定位導航APP三部分組成。ZigBee無線傳感器網絡主要是收集和形成用于實現盲節點定位的數據信息，并傳送給上位機；上位機則負責處理ZigBee無線傳感器網絡傳送過來的數據包，用定位算法計算出盲節點坐標。

系統處理流程： ZigBee盲節點廣播的RSSI信號值，通過ZigBee自組網中的ZigBee參考節點將其收集并發送給協調器，協調器通過WPAN（無線個人局域網）傳送給上位機，上位機將從ZigBee自組網內接收到的數據包交給數據處理程序，計算出盲節點位置坐標。系統架構如圖1所示。

2 關鍵技術

本系統定位采用RSSI測距算法。定位算法分兩步：①使用RSSI測距算法測距；②根據測得的距離以及從ZigBee節點收集到的數據，計算出盲節點位置。

2.1 RSSI測距模型

信號在傳播過程中，由于外界環境的復雜性會在一定程度上造成信號衰弱，而且傳播距離越大，信號衰弱越大，根據這個規律可以得出信號強度的衰減與距離的關系。目前工業中采用最多的無線信號傳輸理論模型為shadowing模型[8]：

2.2 參數優化

A和n的值對能否實現精準定位起著至關重要的作用，為了提高RSSI信號值的準確度，參數A和n的取值需要在實際定位環境中多次測量計算取得。

2.3 盲節點RSSI閾值處理

所謂盲節點RSSI閾值[10]，用來排除受環境干擾比較嚴重的參考節點接收到的RSSI信號值，是衡量RSSI信號值的一個標準量。

設閾值為RRSSI，參考節點的定位半徑為r，首先參考節點在距離盲節點為r處接收多個RSSI信息包，然后通過參考節點RSSI值濾波處理的優化步驟得到一個RSSI值，該值可作為閾值RRSSI。為了提高定位的準確性，需多次測量，最后取所有RSSI值的平均值作為閾值。

假設盲節點接收到一跳范圍內n個參考節點的RSSI值RSSIi，i=0，1，…，n，x為RSSIi≥RRSSI的個數。如果x≥3，則這x個參考節點所接收的RSSI信號值說明，該參考節點的數據受障礙物影響小，可以使用；如果x<3，即參考節點受障礙物影響大，但所接收的RSSI仍具有參考意義。所以，將一部分參考節點接收到的RSSI信號值與參考節點位置信息打包發送給協調器。

2.4 盲節點坐標計算

2.5 ZigBee自組網

ZigBee網絡最大的特點就是在ZigBee啟動后將自動形成ZigBee局域網絡。ZigBee的網絡類型分為星型網、樹狀網和網狀網。組建一個ZigBee網狀網分為兩步：①協調器初始化；②ZigBee節點加入網絡。

2.5.1 協調器初始化網絡

協調器初始化網絡步驟：①檢測協調器。由具有ZigBee協調器功能的節點發起建立一個新網絡；②信道掃描。網絡層實體選出一個網絡數目最少、符合要求的信道。若沒有，則進程終止，初始化失敗；③配置網絡參數。網絡管理層實體隨機分配一個唯一的PAN描述符給這個新網絡。若沒有符合條件的PAN描述符則進程終止，初始化失敗；④運行新網絡。MAC層啟動并運行新網絡；⑤允許設備加入網絡，由ZigBee協調器或路由器來設置網絡狀態。

通過上述步驟，協調器建立一個新的網絡并允許ZigBee節點加入。endprint

2.5.2 節點加入網絡

節點加入網絡有兩種方法：①通過使用MAC層關聯進程加入網絡；②通過與先前指定的父節點連接加入網絡，本文采用后一種方法。

（1）父節點處理子設備直接加入網絡。父節點對請求加入的子節點進行判斷，確定它不存在于新的網絡中；確認后為其分配一個網絡地址，并在節點信息表中登記。

（2）子節點連接父節點確認父子關系。子節點要向父節點發起建立父子關系，此時網絡層實體管理將會掃描信道，確認父節點信息。確認完畢后，通知父節點允許子節點加入，此時子節點與父節點之間建立了父子關系，即成功加入ZigBee網絡。

經過上述步驟，ZigBee節點在協調器的作用下即可自動加入ZigBee自組網絡中。

3 測距定位流程

ZigBee協調器啟動后，與室內所設置的ZigBee參考節點自動組成網路，并通過WPAN與上位機建立連接。用戶進入室內前，工作人員為其分配一個手持電子標簽（盲節點）。進入室內后，電子標簽將自動加入ZigBee協調器組成的網絡并不斷發送RSSI信號，開始向網絡廣播數據包；參考節點接收到廣播數據包后，處理廣播包中的RSSI值，將RSSI值與自身的位置信息整合，并將處理后的數據包發送到協調器；ZigBee協調器接收參考節點發送的數據包并發送至上位機；上位機處理接收到的數據包并計算出盲節點坐標。圖3為定位流程。

4 系統測試

4.1 數據包說明

定位數據由ZigBee節點收集，以比特流的形式傳輸至上位機。表1、表2為一個數據包實例。

4.2 上位機軟件運行實測

上位機將接收到的數據包進行處理，最終由上位機定位軟件顯示，圖4為測試結果。圖中藍色框帶有標簽號的為參考節點，黑色框帶有標簽號的為盲節點。以N6一樓為實驗環境，設置3個參考節點和一個盲節點進行測試。

5 結語

本文論述了基于ZigBee技術和RSSI測距算法的室內定位技術，詳細說明了室內定位系統的基本架構和原理，優化了RSSI測距，提出了RSSI閾值處理方法，計算出盲節點與參考節點之間的準確距離；同時提出一種盲節點計算方式，利用最小二乘法準確計算出盲節點坐標。最后在上位機中編寫出測試軟件，利用實驗樓環境實測室內定位技術，結果顯示效果理想。但由于參考節點數量少，實驗環境中畫圈區域的定位由于非視距、信號強度等因素，會影響到定位準確度。今后將增加參考節點數，實現整個樓層的精準定位。

參考文獻：

[1] 趙旋旋，韓李濤，鄭瑩，等.室內導航模型研究綜述[J].軟件導刊，2016（5）：1-3.

[2] 劉夢君，曾帥.室內定位導航技術[J].科技展望，2017（6）：140-141.

[3] 唐銘，張志穎.基于TDOA室內定位算法的研究[J].科技與企業，2016（2）：225-226.

[4] 魏培，姜平，賀晶晶，等.基于內三角形質心算法的超寬帶室內定位[J].計算機應用，2017（1）：289-298.

[5] 干建勇，張靜.一種基于DV-Hop節點的室內定位改進算法[J].上海師范大學學報：自然科學版，2017（1）：48-53.

[6] 陶佳峰，楊曉洪，王劍平，等.基于RSSI的室內測距模型優化技術[J].傳感器與微系統，2017（1）：24-30.

[7] 陳偉.基于ZigBee網絡的路由算法研究[J].軟件導刊，2017（3）：42-44.

[8] 付雄，彭冰.基于Shadowing模型的無線入侵主機物理定位研究[J].微電子學與計算機，2010（12）：4-9.

[9] 朱明輝，張會清.基于RSSI的室內測距模型的研究[J].傳感器與微系統，2010（8）：19-22.

[10] 王鵬，施偉斌，孫鳳.基于RSSI值的室內定位系統算法研究[J].數據通信，2014（2）：30-33.endprint