基于RSSI測距的室內(nèi)定位技術(shù)

摘要 搭建了基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位實驗平臺，以實驗室樓道為室內(nèi)場景進(jìn)行了接收信號強度(RSSI)測距和定位實驗研究。首先對測距實驗采集到的數(shù)據(jù)使用線性回歸分析擬合出當(dāng)前環(huán)境的具體測距模型，并對信標(biāo)和未知節(jié)點進(jìn)行軟件開發(fā)，實現(xiàn)了基于RSSI的定位算法。經(jīng)過定位實驗精度評估，文中算法的平均定位誤差為2．3 m，滿足大多室內(nèi)場景要求。
關(guān)鍵詞 室內(nèi)定位；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；RSSI測距；線性回歸分析

隨著現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)、全球定位系統(tǒng)(Global PositionSystem，GPS)、普適計算、分布式信息處理等技術(shù)的迅速發(fā)展，位置感知計算和基于位置的服務(wù)(Location Based Setvices，LBS)在實際應(yīng)用中越來越重要。GPS是目前應(yīng)用最廣泛和成功的定位技術(shù)。由于微波易被濃密樹林、建筑物、金屬遮蓋物等吸收，因此GPS只適合在戶外使用，在室內(nèi)場合，由于信道環(huán)境復(fù)雜、微波信號衰減厲害、測量誤差大，GPS并不適用。近年來基于低成本、低功耗、白組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)定位技術(shù)得到了科研人員的重視和研究，具有廣泛地應(yīng)用前景。根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離，可將定位算法分為基于測距(Range-based)的定位和距離無關(guān)(range-free)的定位。基于測距的定位先由未知節(jié)點硬件接收外部信標(biāo)節(jié)點發(fā)射的無線信號并記錄下TOA(Time of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)、RSSI(Received Signal strength Indicator)等測距度量值，然后將測距度量值轉(zhuǎn)為未知節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的距離或方位，然后再采用相關(guān)算法如三邊測量法、三角測量法、極大似然估計法等來計算未知節(jié)點的位置。由于RSSI檢測設(shè)備和機制簡單，硬件成本低，實現(xiàn)簡單，可通過多次測量平均獲得較準(zhǔn)確的信號強度值，降低多徑和遮蔽效應(yīng)影響，因此基于RSSI測距的定位技術(shù)成為近年來室內(nèi)定位研究的熱點。

1 RSSI測距原理
無線信號傳輸中普遍采用的理論模型為漸變模型(Shadowing Model)。

式中，p(d)表示距離發(fā)射機為d時接收端接收到的信號強度，即RSSI值；p(d0)表示距離發(fā)射機為d0時接收端接收到的信號功率；d0為參考距離；n是路徑損耗(Pass Loss)指數(shù)，通常是由實際測量得到，障礙物越多，n值越大，從而接收到的平均能量下降的速度會隨著距離的增加而變得越來越快：X是一個以dBm為單位，平均值為0的高斯隨機變量，反映了當(dāng)距離一定時，接收到的能量的變化。
實際應(yīng)用中一般采用簡化的漸變模型

為便于表達(dá)和計算，通常取d0為1 m。于是可得
[p(d)]dBm=A-10nlg(d) (3)
把[p(d)dBm寫成RSSI的形式得到
RSSI=A-10nlg(d) (4)
其中，A為無線收發(fā)節(jié)點相距1 m時接收節(jié)點接收到的無線信號強度RSSI值。式(4)就是RSSI測距的經(jīng)典模型，給出了RSSI和d的函數(shù)關(guān)系，所以已知接收機接收到的RSSI值就可以算出它和發(fā)射機之間的距離。A和n都是經(jīng)驗值，和具體使用的硬件節(jié)點和無線信號傳播的環(huán)境密切相關(guān)，因此在不同的實際環(huán)境下A和n參數(shù)不同，其測距模型不同。

2 RSSI測距定位算法
基于RSSI測距的定位算法流程如圖1所示。