引言

科技館、博物館，展覽館等場館對觀眾的管理和疏導(dǎo),過去主要靠人工監(jiān)控和利用攝像頭輔助監(jiān)控了解各個(gè)區(qū)域客流情況，進(jìn)行人工干預(yù)，但對觀眾的數(shù)量、分布情況和管理人員的位置等信息無法實(shí)時(shí)獲取，給場館管理以及其各項(xiàng)活動(dòng)的開展帶來不便。人員無線定位管理系統(tǒng)可通過對移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行信息采集處理，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的自動(dòng)定位識(shí)別和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。當(dāng)前技術(shù)最成熟和應(yīng)用比較廣泛的是美國的GPS、俄羅斯的Glonass和中國的Compass北斗星三種利用衛(wèi)星定位的技術(shù)，衛(wèi)星定位在空間立體定位、動(dòng)態(tài)物體速度測量等方面有很好的性能，但是經(jīng)濟(jì)投入大，成本費(fèi)用高，對很多地下環(huán)境、室內(nèi)環(huán)境都不實(shí)用。近年來基于WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))定位問題的研究進(jìn)展迅猛，為室內(nèi)無線定位提供了許多新的解決方案和構(gòu)建思路來實(shí)現(xiàn)WSN的定位問題，同時(shí)可以解決費(fèi)用高，成本大的根本問題。本文通過應(yīng)用CC2530芯片設(shè)計(jì)基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本、低功耗和具有較高定位精度的場館人員無線定位管理系統(tǒng)。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法一般可分為基于距離測量的定位算法和與距離無關(guān)的定位算法兩大類。與距離無關(guān)的定位算法主要有質(zhì)心法，DV—Hop，APIT和，MDS-MAP等。與距離無關(guān)的定位算法不用計(jì)算出節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離，而是估算出兩者的間距或大致地確定節(jié)點(diǎn)所處的區(qū)域，對節(jié)點(diǎn)硬件要求較低，有利于降低成本和功耗，但其定位精度不高?；诰嚯x測量的定位算法一般可分為4種:基于信號到達(dá)時(shí)間測距定位算法TOA、基于信號到達(dá)時(shí)間差測距定位算法TDOA、基于信號到達(dá)角測距定位算法AOA和基于接收信號強(qiáng)度測距定位算法RSSI。TOA、TDOA方法在室內(nèi)環(huán)境中由于多徑效應(yīng)的影響，信號是經(jīng)過多條路徑先后達(dá)到的，根據(jù)到達(dá)時(shí)間來測距，因此這就造成了測距的不精確性。AOA方法雖然原理很簡單，實(shí)現(xiàn)的定位精確度也很高，但是其成本也很昂貴,需要陣列天線的支持，這就局限了其應(yīng)用?；诮邮招盘枏?qiáng)度定位算法RSSI簡單高效，廉價(jià)實(shí)用，而且RSSI算法在對抗多徑效應(yīng)方面比TOA、TDOA方法都要好，并且不需要額外的硬件支持，RSSI值直接在無線射頻收發(fā)芯片中就有存儲(chǔ)器存儲(chǔ)該值，從而可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)之間的距離，所以基于RSSI的定位算法是WSN節(jié)點(diǎn)定位較常采用的方法。

2傳統(tǒng)的RSSI定位算法及其缺陷

傳統(tǒng)的RSSI接收信號強(qiáng)度的定位方法，是在已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度，根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)收到的信號強(qiáng)度，計(jì)算出信號的傳播損耗，再利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離值，最后根據(jù)距離計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置.接收信號強(qiáng)度(RSSI)理論值可由式(1)表示:

其中信號的衰減與距離成對數(shù)衰減關(guān)系。式中：代表信號傳播常量，表示信號能量隨著距離的增加而衰減的速率：d代表距發(fā)射器間的距離；代表距離lm時(shí)的接收信號強(qiáng)度。參數(shù)n和A由系統(tǒng)所處的環(huán)境決定。計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)時(shí),首先在能夠接收到回應(yīng)的信號中選擇幾個(gè)信號強(qiáng)度最大的參考節(jié)點(diǎn)信號，利用前面的信號衰減模型計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)中幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間的估計(jì)距離，再用三邊測距法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

傳統(tǒng)的RSSI定位算法是利用無線信號傳輸?shù)睦碚摶蚪?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠韺鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，其中依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定的參數(shù)一

旦選定，將不再更改。但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，信號的衰減與距離之間的關(guān)系因子是發(fā)生變化的，此時(shí)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⑹沟脺y距誤差增大。此外在具體應(yīng)用中，受到墻壁、地面、人體等一些障礙物影響，電磁波會(huì)存在反射、衍射等，導(dǎo)致單次測得的RSSI值誤差可能會(huì)很大，進(jìn)而導(dǎo)致測距誤差增大。三邊測距法的缺陷是：由于受到環(huán)境因素的影響和各節(jié)點(diǎn)硬件參數(shù)和功耗之間的差異，所測出的距離不可能是理想值，導(dǎo)致三邊測距法中的三個(gè)圓周難以相交于一點(diǎn)，而是相交于一個(gè)小區(qū)域，因此利用此方法計(jì)算出來的(X,Y)坐標(biāo)值存在一定的誤差。

3RSSI定位算法的改進(jìn)和優(yōu)化

由于環(huán)境、信號傳播等因素對RSSI定位方法的精度影響比較大，造成定位誤差的因素主要有：信號傳輸距離、障礙物的阻隔、多徑效應(yīng)和環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化等，需要在在傳統(tǒng)的RSSI定位算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和參數(shù)的優(yōu)化。改進(jìn)的算法通過模型自適應(yīng)階段對信號衰減模型的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，引入高斯濾波處理對RSSI值進(jìn)行修正，在極大似然估算法引入加權(quán)矩陣來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。

3.1模型自適應(yīng)階段

選取合適的信號衰減模型可以使測量結(jié)果有較高的準(zhǔn)確度，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中為了使不同節(jié)點(diǎn)在不同的環(huán)境中的模型參數(shù)都能接近理想值，要求信號衰減模型需要根據(jù)環(huán)境因素的變化而進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整。模型自適應(yīng)階段是在所有節(jié)點(diǎn)順利加入網(wǎng)絡(luò)以后，未知節(jié)點(diǎn)廣播信號之前，已知距離的參考節(jié)點(diǎn)之間通過信號的傳輸進(jìn)行測量，對信號衰減模型的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)吐在選取的信號衰減模型式(1)中，參數(shù)A為距離lm時(shí)的接收信號強(qiáng)度，一般不會(huì)有很大的變化，通常只在安裝時(shí)對參考節(jié)點(diǎn)各個(gè)方向的A值進(jìn)行測量。測量時(shí)以參考節(jié)點(diǎn)為圓心，在半徑1m的圓周上平均分布多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，然后測量圓周上所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值，然后根據(jù)式(2)求出平均值。

參數(shù)n為信號傳播常量，是信號能量隨著距離的增加而衰減的速率，受環(huán)境的影響變化比較大，是主要需要進(jìn)行修正的參數(shù)。在每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的周圍分布有N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為已知量，與周圍參考節(jié)點(diǎn)測距后，得到和周圍參考節(jié)點(diǎn)之間的N個(gè)距離值，由式(1)就能得到N個(gè)信號傳播常量n，為了減小誤差，一般取N個(gè)節(jié)點(diǎn)測量得到的n值的平均值如式(3)所示：

由于環(huán)境、信號傳播等因素對RSSI值的影響比較大，在不同的時(shí)間內(nèi)即使相同的距離也會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)，因此在計(jì)算參數(shù)n之前，首先收集不同時(shí)間內(nèi)的RSSI值，然后取其平均值參與計(jì)算，如式(4)所示：

3.2高斯濾波處理

在實(shí)際中，某一時(shí)間段內(nèi)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以收到多個(gè)RSSI值。信號強(qiáng)度值在實(shí)際環(huán)境中存在很大的波動(dòng)性，因而在利用RSSI值計(jì)算距離之前，為避免RSSI值的不穩(wěn)定性，使RSSI值能精確體現(xiàn)無線信號的傳輸距離，可以通過濾波處理使RSSI的值平滑。大量測試表明接收節(jié)點(diǎn)在某個(gè)特定位置上收到的RSSI值其誤差大小具有隨機(jī)性，服從或近似服從正態(tài)分布，符合引入高斯模型進(jìn)行處理的原則，可應(yīng)用高斯濾波處理對測量得到的RSSI值進(jìn)行修正，在高概率發(fā)生區(qū)選擇概率大于0.6(0.6的取值是根據(jù)工程中的經(jīng)驗(yàn)值)的范圍［8］?經(jīng)過高斯濾波后，RSSI的取值范圍為［0.15中，3.09巾］。其中o和卩見式(5)、(6)所示：

把該范圍內(nèi)的RSSI值全部取出，再求幾何平均值，即可得到最終的RSSI值。高斯模型解決了RSSI在實(shí)際測試中易受干擾、穩(wěn)定性差等問題，提高了定位精度。

3.3加權(quán)極大似然估算法

由于三邊測距法存在缺陷，改進(jìn)算法采用極大似然估算法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。極大似然估算法基本思想是通過未知節(jié)點(diǎn)和多個(gè)坐標(biāo)已知的參考節(jié)點(diǎn)的距離關(guān)系來建立方程組，并通過最小二乘法來解方程從而得到未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)叫已知n個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(X1，Y1)(X2,Y2)...(Xn，Yn),它們到未知節(jié)點(diǎn)(X,Y)的距離分別為弗d”...dn，則有式(7):

該方程為非線性方程組，用方程組中的前n－1個(gè)方程減去第n個(gè)方程后，可得到線性化的方程式（8）：

用最小二乘法求解方程（8）得：

極大似然估算法假設(shè)所有參考節(jié)點(diǎn)是一致的，但由于受到環(huán)境因素影響、節(jié)點(diǎn)硬件參數(shù)和功耗之間的差異，所有參考節(jié)點(diǎn)的信號質(zhì)量不可能都相同，這樣計(jì)算出來的結(jié)果就會(huì)存在較大的誤差。這時(shí)可以利用距離近的節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度可靠性高,而距離遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度可靠性低這個(gè)特點(diǎn)，在極大似然估算法上引入加權(quán)矩陣叫節(jié)點(diǎn)的權(quán)值與距離成反比，距離越近的節(jié)點(diǎn)權(quán)值越高，選擇可靠性高的節(jié)點(diǎn)來減少誤差。假設(shè)接收到的參考節(jié)點(diǎn)最大距離為Dmax，而最小距離為Dml?，中間值Dmid=（Dmax+Dm?,）/2,則節(jié)點(diǎn)i的權(quán)值W=DmiJD、,加上加權(quán)矩陣后，采用極大似然估算法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)可以轉(zhuǎn)換為式（10）:

其中W表示加權(quán)矩陣。某些節(jié)點(diǎn)由于受到障礙物的影響使得測量得到的距離比實(shí)際距離遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)獲得的相應(yīng)權(quán)值也會(huì)減少,因此采用加權(quán)計(jì)算后在一定程度上還可以減小障礙物的影響。4場館人員無線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1京更件設(shè)計(jì)方案

定位系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)（未知節(jié)點(diǎn)）見圖1所示：

圖1系統(tǒng)組成圖

圖1中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是建立網(wǎng)絡(luò)，配置其他申請入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)的指令，向上位機(jī)傳達(dá)其收到的其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；

而參考節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是輔助定位節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位，即在獲得定位節(jié)點(diǎn)的定位請求數(shù)據(jù)包中的RSSI后，打包自身節(jié)點(diǎn)ID和位置距離信息后原路傳回至定位節(jié)點(diǎn)；

定位節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是發(fā)送定位請求信號并獲得參考節(jié)點(diǎn)的位置距離信息，該節(jié)點(diǎn)在接收足夠參考節(jié)點(diǎn)信息后將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，傳回上位機(jī)監(jiān)測軟件計(jì)算位置實(shí)現(xiàn)定位。

根據(jù)對比和測試，從成本、集成度等方面出發(fā)，選擇使用CC2530芯片作為系統(tǒng)中的參考節(jié)點(diǎn)、未知節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的核心芯片。CC2530是德州儀器推出的完整用于2.4GHzIEEE802.15.4/RF4CE/ZlgBee的第二代片上系統(tǒng)解決方案，它結(jié)合了高性能的2.4GHzDSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能低功耗的8051微控制器，用于搭建功能健全價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，CC2530支持最新的ZigBee協(xié)議一一ZigBee2007/PR0。定位系統(tǒng)中三種節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案見圖2所示，它們中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)是相同的，只是軟件編程時(shí)有所區(qū)別。

4.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本定位系統(tǒng)采用IAREmbeddedWorkbench軟件進(jìn)行定位程序的開發(fā)，IAR是一款完整、高度精確且很容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具，通過運(yùn)用IAR開發(fā)環(huán)境，在

ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的搭建和通信，并根據(jù)三種節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)的不同功能，對協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要流程如圖3所示。

5系統(tǒng)測試

整個(gè)測試是在展廳內(nèi)12mX12m的矩形區(qū)域內(nèi)展開

的，6個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別固定為(0.00,0.00)、(12.00,0.00)、(0.00,5.00)、(12.00,5.00)、(0.00,12.00)、(12.00,12.00)；未知節(jié)點(diǎn)可以在參考節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動(dòng)，參考節(jié)點(diǎn)距離地面高度均為200cm,分別對采用本改進(jìn)算法的系統(tǒng)和采用CC2431定位引擎的系統(tǒng)進(jìn)行了對比測試。測試結(jié)果見圖4和表1。

改進(jìn)的算法對一些周圍障礙物較多，或處在復(fù)雜環(huán)境中的節(jié)點(diǎn)精度得到改善；個(gè)別周圍障礙物較少的節(jié)點(diǎn)，或處在比較簡單環(huán)境中的節(jié)點(diǎn)誤差有增大的現(xiàn)象。另外，測試過程中發(fā)現(xiàn)，測試范圍內(nèi)人員移動(dòng)也會(huì)對測量結(jié)果有一定的影響，人員的移動(dòng)導(dǎo)致無線信號在傳輸過程中的反射、繞射情況變得更為復(fù)雜，從而影響定位結(jié)果，移動(dòng)人員越多，對定位精度的影響就越大，尤其對傳統(tǒng)的RSSI算法的系統(tǒng)影響較大。從測試結(jié)果可以看出，改進(jìn)算法的穩(wěn)定性和精度比采用CC2431定位引擎有了一定的提高。

6結(jié)語

本文通過構(gòu)建基于CC2530的場館人員無線定位管理系統(tǒng)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了傳統(tǒng)的RSSI定位算法和缺陷以及各種定位誤差的影響因素，在傳統(tǒng)的RSSI定位算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和參數(shù)的優(yōu)化。測試結(jié)果表明，采用了改進(jìn)算法的系統(tǒng)定位精度和穩(wěn)定性比采用CC2431的定位引擎有了比較明顯的提高，可以滿足室內(nèi)人員的定位要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

20211221_61c1a67b581af__基于CC2530的場館人員無線定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)