基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

千承輝，張希明，徐丹琳，陳鈺佳，易曉峰

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

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基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

千承輝，張希明，徐丹琳，陳鈺佳，易曉峰

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

針對(duì)現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)精度不高的問(wèn)題，采用基于校正模型的三邊測(cè)距質(zhì)心定位算法實(shí)現(xiàn)人員定位。通過(guò)研究ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，分析無(wú)線電傳播路徑損耗模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到RSSI測(cè)距模型。引入高斯濾波模型和自校正模型修正測(cè)距值，在三邊測(cè)量法的基礎(chǔ)上結(jié)合質(zhì)心定位思想，以三圓相交部分的質(zhì)心作為盲節(jié)點(diǎn)的估算位置。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)的定位誤差小于10 %，有效地降低了環(huán)境引起的盲節(jié)點(diǎn)位置誤差，提高了定位精度。

三邊測(cè)距質(zhì)心定位算法；高斯濾波；自校正模型；ZigBee；RSSI

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和軟件三部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、低成本、靈活鋪設(shè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集[1]。目前已有的大多數(shù)WSN僅限于采集光強(qiáng)、溫度、濕度、壓力等標(biāo)量數(shù)據(jù)[2]。在WSN的許多應(yīng)用場(chǎng)合諸如環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)監(jiān)視以及安全監(jiān)控等，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息十分重要，很多其他的服務(wù)都是基于位置的，信息要和位置捆綁在一起才有意義。在不增加成本投入的前提下，利用WSN的自身特點(diǎn)，完成節(jié)點(diǎn)定位功能具有廣闊的發(fā)展空間和重要的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。

本文利用近年新興的短距離、低功耗、低成本的ZigBee無(wú)線通信技術(shù)組建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用基于校正模型的三邊測(cè)距質(zhì)心定位算法實(shí)現(xiàn)人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 算法模型

三邊測(cè)距質(zhì)心定位算法由測(cè)距過(guò)程、定位過(guò)程和修正過(guò)程三部分組成。具體描述如下：

(1)利用RSSI模型獲取無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中盲節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的間距；

(2)由定位模型得到盲節(jié)點(diǎn)的位置信息；

(3)對(duì)測(cè)距模型和定位模型進(jìn)行修正，減小定位誤差。

1.1 RSSI測(cè)距模型

RSSI是接收信號(hào)強(qiáng)度指示值。公式(1)表示信號(hào)的發(fā)射功率與接收功率之間的關(guān)系，PT是信號(hào)的發(fā)射功率，PR是信號(hào)的接收功率，d是收發(fā)芯片的距離，n是傳播路徑衰減因子，由當(dāng)前無(wú)線電傳播環(huán)境決定[3]。

PR=PT/dn

(1)

PR(dBm)=PT(dBm)-10nlgd

(2)

PR(dBm)=PR_1(dBm)-10nlgd

(3)

PR_1是收發(fā)芯片相距1 m時(shí)的接收功率，由公式(3)可看出收發(fā)芯片的間距與RSSI值的關(guān)系由1 m處的接收功率和傳播路徑衰減因子決定。在傳播過(guò)程中，各種媒質(zhì)對(duì)無(wú)線電信號(hào)的干擾越小，基于RSSI的測(cè)距就會(huì)越精準(zhǔn)。

1.2 三邊測(cè)距質(zhì)心定位模型

三邊測(cè)距質(zhì)心定位算法是在三邊測(cè)量定位算法的基礎(chǔ)上引入質(zhì)心算法的思想[4]，解決了三邊測(cè)量定位算法中方程組無(wú)解的問(wèn)題，使得估算出的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值更加準(zhǔn)確。

圖1 三邊測(cè)量法模型示意圖

1.2.1 三邊測(cè)量法

如圖1所示，設(shè)D點(diǎn)坐標(biāo)是(x,y)，A、B、C三點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc，yc),它們到D點(diǎn)的距離分別是da、db和dc。

根據(jù)以上信息可得下列方程組，聯(lián)立可求得D點(diǎn)坐標(biāo)。

(4)

(5)

(6)

1.2.2 質(zhì)心算法

質(zhì)心算法是一種基于WSN連通性的室外定位算法，由美國(guó)南加州大學(xué)的布魯斯等人提出：以定位節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的所有參考節(jié)點(diǎn)幾何質(zhì)心作為其估算位置[5]。假設(shè)其監(jiān)聽(tīng)到的與之連通的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)、(x5,y5)，則其質(zhì)心坐標(biāo)為:

1.2.3 三邊測(cè)距質(zhì)心定位算法

在實(shí)際定位過(guò)程中,由于測(cè)距帶來(lái)的誤差常得到如圖2所示的情況[6]。

圖2 三邊測(cè)距質(zhì)心定位模型示意圖

根據(jù)公式(4)、(5)、(6)可分別求得圓A與圓C的交點(diǎn)(xac1,yac1)、(xac2,yac2)，圓A與圓B的交點(diǎn)(xab1,yab1)、(xab2,yab2)，圓B與圓C的交點(diǎn)(xbc1,ybc1)、(xbc2,ybc2)。

分別將兩圓的交點(diǎn)及第三圓圓心坐標(biāo)代入公式(7)，判斷距離值，找出兩點(diǎn)中靠近第三圓圓心的點(diǎn)。如圖2所示，判斷可得離圓A、圓B和圓C圓心較近的點(diǎn)分別為(xbc1,ybc1)、(xac1,yac1)和(xab1,yab1)。依據(jù)質(zhì)心思想，以三圓相交部分的質(zhì)心作為盲節(jié)點(diǎn)的估算位置，由公式(8)計(jì)算盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

d=(x-x0)2+(y-y0)2

(7)

(8)

1.3 三邊測(cè)距校正模型

在定位系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境因素的干擾，會(huì)導(dǎo)致RSSI值不穩(wěn)定，在不同的環(huán)境下電磁波傳播路徑衰減因子也會(huì)發(fā)生變化。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出高斯校正模型和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自校正模型修正定位結(jié)果，以提高定位精度。

圖3 高斯校正模型流程

1.3.1 高斯校正模型

信號(hào)在傳輸過(guò)程中受突發(fā)事件干擾是小概率事件，此時(shí)RSSI值與正常值偏差較大，對(duì)測(cè)距的影響較大。通過(guò)高斯濾波選擇概率較高的RSSI值之后再取其平均值[7]，可以降低環(huán)境擾動(dòng)對(duì)測(cè)距值的影響，減小定位誤差。具體校正流程如圖3所示。

(9)

(10)

(11)

0.6≤F(x)≤1

(12)

(13)

1.3.2 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自校正模型

系統(tǒng)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息是已知的，利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)相互通信，分別記錄對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率、接收功率和收發(fā)芯片的間距，由公式(1)可求得傳播路徑衰減因子n值。將測(cè)量得到的n值作為當(dāng)前環(huán)境下傳播路徑衰減因子，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性。校正流程如圖4所示。

圖4 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自校正模型流程

2 算法實(shí)現(xiàn)

算法的實(shí)現(xiàn)分為組建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、測(cè)距、修正和定位4個(gè)步驟?？紤]到實(shí)際定位系統(tǒng)對(duì)功耗、成本的要求，系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)搭建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)人員定位系統(tǒng)。算法的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 算法實(shí)現(xiàn)流程

2.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建

ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中有協(xié)調(diào)器、路由器和終端3種功能節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息幀的路由，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)具體功能的實(shí)現(xiàn)[8]。

系統(tǒng)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)由已知位置信息的路由器節(jié)點(diǎn)充當(dāng)，其數(shù)量和密度決定了定位精度。盲節(jié)點(diǎn)由終端節(jié)點(diǎn)充當(dāng)，綁定在人員身上，每隔固定時(shí)間在網(wǎng)絡(luò)中廣播自身的ID信息。

2.2 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自校正過(guò)程

在組建好的網(wǎng)絡(luò)中將所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)加入同一組內(nèi)，選定其中一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行圖4所示的校正過(guò)程，得到當(dāng)前環(huán)境下的傳播路徑衰減因子n。

2.3 測(cè)距過(guò)程

(1)盲節(jié)點(diǎn)廣播自身身份標(biāo)識(shí)及網(wǎng)絡(luò)地址；

(2)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到上述廣播信息幀后返回自身的坐標(biāo)信息、網(wǎng)絡(luò)地址作為應(yīng)答；

(3)盲節(jié)點(diǎn)接收應(yīng)答信息，統(tǒng)計(jì)可直接與自身通信的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；

(4)盲節(jié)點(diǎn)依次與符合條件的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，記錄RSSI值和相對(duì)應(yīng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)并上傳至上位機(jī)；

(5)上位機(jī)利用高斯濾波模型對(duì)上述步驟記錄的幾組RSSI值做濾波處理，之后由測(cè)距模型轉(zhuǎn)換為盲節(jié)點(diǎn)與眾多信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的間距。

2.4 定位過(guò)程

上位機(jī)采集盲節(jié)點(diǎn)與在其通信范圍內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離并選取其中距離較短的三點(diǎn)。利用三邊測(cè)距質(zhì)心定位模型，由式(4)～(8)可得盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用TI公司的CC2530射頻收發(fā)芯片搭建無(wú)線通信平臺(tái)。該芯片兼容IEEE802.15.4規(guī)范，結(jié)合了德州儀器的ZigBee協(xié)議棧(Z-StackTM)，實(shí)測(cè)可靠通信距離在30 m以上。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)盲節(jié)點(diǎn)和1個(gè)簡(jiǎn)單的上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，與PC通過(guò)有線的方式連接，將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)分析處理后計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)存儲(chǔ)并顯示。實(shí)驗(yàn)分為以下兩部分：

3.1 對(duì)RSSI測(cè)距校正模型效果的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)選定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，測(cè)試不同校正模型的測(cè)距誤差。在0～10 m的范圍內(nèi)每隔0.5 m選定一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，采用不同的校正算法：

①不使用校正模型；

②采用高斯校正模型；

③采用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自校正模型修正傳播路徑衰減因子后使用高斯校正模型。

三種模型的測(cè)距效果如圖6所示?？梢?jiàn)使用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自校正模型修正傳播路徑衰減因子之后再采用高斯校正模型的效果明顯優(yōu)于其余兩種。

圖6 測(cè)距效果測(cè)試圖

3.2 定位效果綜合檢測(cè)

將4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別放置在邊長(zhǎng)為2.5 m的菱形頂點(diǎn)處，盲節(jié)點(diǎn)在菱形范圍內(nèi)移動(dòng)，分析采用校正模型后的系統(tǒng)定位精度，測(cè)試結(jié)果如圖7、表1所示。

圖7 定位效果測(cè)試圖

圖7是盲節(jié)點(diǎn)的實(shí)際移動(dòng)曲線和測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。分析表1中具體數(shù)據(jù)可以得出，系統(tǒng)在X方向的最大定位誤差為20 cm，約為定位范圍邊長(zhǎng)的8%；在Y方向上最大定位誤差為9 cm,約為定位范圍邊長(zhǎng)的3.6%。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)的定位誤差較小，可滿足大多應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)定位精度的需求。

表1 測(cè)試結(jié)果與實(shí)際值 對(duì)照表 (cm)

4 結(jié)論

本文在三邊測(cè)距質(zhì)心定位算法的基礎(chǔ)上引入高斯校正模型和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自校正模型實(shí)現(xiàn)人員定位。通過(guò)高斯濾波模型避免了在測(cè)距過(guò)程中一些小概率事件的干擾，利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自校正模型修正傳播路徑衰減因子，減小環(huán)境對(duì)系統(tǒng)定位精度的影響。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)的定位誤差小于10 %，有效地降低了環(huán)境引起的盲節(jié)點(diǎn)位置誤差，提高了定位精度。在后續(xù)的研究中可以結(jié)合CC2591功率放大芯片提高CC2530芯片的收發(fā)靈敏度，進(jìn)一步擴(kuò)展定位范圍，使系統(tǒng)更具有實(shí)用價(jià)值。

[1] 柴淑娟，趙建平.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，34(11):214-224.

[2] 李順輝.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)量中的數(shù)據(jù)分發(fā)和時(shí)間同步研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2009.

[3] 方震，趙湛，郭鵬，等.基于RSSI測(cè)距分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007,20(11)：2526-2530.

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[6] 林瑋，陳傳峰.基于RSSI的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)三角形質(zhì)心定位算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009，32(2):180-182.

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Design and implementation of personnel positioning system based on ZigBee wireless sensor network

Qian Chenghui，Zhang Ximing，Xu Danlin，Chen Yujia，Yi Xiaofeng

(College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University,Changchun 130012,China)

Aiming at the problem of low accuracy of the existing wireless sensor network positioning system, in the paper, the three side location algorithm based on the calibration model is used to realize the positioning of the personnel. Through the research of ZigBee wireless communication technology，analysis of radio propagation path loss model, combining RSSI(Received Signal Strength Indication) ranging model by experiment test, and introducing the Gaussian filter model and the self correction model to correct the range values. On the basis of the three side measurement method which combined with the idea of centroid localization, using the estimation position of the centroid of the three circle intersection as the blind node. By testing, the positioning error of the system is less than 10%, which reduces the blind node position error caused by the environment effectively and improves the positioning accuracy.

three side ranging centroid localization algorithm; Gaussian filter; self correction model ; ZigBee; RSSI

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(2015651013)

TN929.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.022

千承輝，張希明，徐丹琳，等. 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(21)：72-74,78.

2016-06-13)

千承輝(1975-)，女，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：傳感器與微弱信號(hào)的檢測(cè)。

易曉峰(1985-)，通信作者，男，博士，講師，主要研究方向：磁共振探測(cè)方法研究及設(shè)備開(kāi)發(fā)。E-mail:yixiaofeng1985@126.com。