基于zigbee和rssi测距算法的室内定位系统设计

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为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。基于ZigBee和RSSI测距算法的室内定位系统设计　　摘要：移动终端室内定位技术需求日益增加，解决方案多种多样，但已有技术存在实现困难、硬件功耗大、环境变化不适应等问题。阐述了基于ZigBee协议和RSSI测距算法实现室内定位的基本原理，并以此理论为基础设计了室内定位系统。设计了室内定位系统整体架构，阐述了室内定位系统关键技术，包括RSSI测距模型、参数优化、节点RSSI阈值处理、盲节点坐标计算及ZigBee自组网。选取实验楼进行测试，结果表明，基于该技术的定位系统精确度较高，且具有节能和环境适应性好等优点。　　关键词：室内定位；ZigBee技术；RSSI测距　　DOIDOI：/　　中图分类号：TP319　　文献标识码：A文章编号：1672--0105-03　　0引言　　室内定位技术[1]蓬勃发展，技术方案有基于测距技术和基于非测距技术两大类。基于测距技术的算法有AOA、TOA、TDOA和RSSI；基于非测距技术的算法有DV-HOP、质心算法等[2]。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。 为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　室内定位技术多样、室内环境复杂，对该技术的研究较多。如唐铭等[3]研究比较了TDOA与TOA这两种基于测距技术的方法，得出TDOA的定位精度更高但实现难度较大的结论；魏培等[3-4]将三角形质心算法改进为内三角形质心算法，用以解决基于非测距质心算法定位精度低、稳定性差等问题，但算法流程多，实现较复杂；干建勇等[5]为了解决DV-HOP算法精度低的问题，提出改进算法ECDV-HOP，但改进后存在通信量和计算量明显增大，算法代价高等问题。RSSI测距[6]算法难度较低，易于实现，不需要额外增加硬件设施，是大多数室内定位系统的首要选择。　　在蓝牙、WiFi、超声波、ZigBee等短距离无线通信技术中，蓝牙通信技术虽然成本功耗低，但传输性能差稳定性差；WiFi在生活中常见，用于室内定位可说是一举两得，但现有的WiFi定位技术依赖于热点位置，若要实现较准确的定位，需布置充足的WiFi热点，成本高功耗大；超声波技术用于室内定位准确度高，但易受障碍物影响且设备成本高。ZigBee[7]作为一种低成本、低功耗、低速率的短距离无线传感网络技术，信号传输不受视距影响，用于室内定位系统有独特优势。因此，本系统采用具有低成本、低功耗的ZigBee通信协议和RSSI测距技术，实现室内定位。　　1系统整体设计为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。 为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　系统由ZigBee无线传感器网络、上位机和用户定位导航APP三部分组成。ZigBee无线传感器网络主要是收集和形成用于实现盲节点定位的数据信息，并传送给上位机；上位机则负责处理ZigBee无线传感器网络传送过来的数据包，用定位算法计算出盲节点坐标。　　系统处理流程：ZigBee盲节点广播的RSSI信号值，通过ZigBee自组网中的ZigBee参考节点将其收集并发送给协调器，协调器通过WPAN传送给上位机，上位机将从ZigBee自组网内接收到的数据包交给数据处理程序，计算出盲节点位置坐标。系统架构如图1所示。　　2关键技术　　本系统定位采用RSSI测距算法。定位算法分两步：①使用RSSI测距算法测距；②根据测得的距离以及从ZigBee节点收集到的数据，计算出盲节点位置。　　RSSI测距模型　　信号在传播过程中，由于外界环境的复杂性会在一定程度上造成信号衰弱，而且传播距离越大，信号衰弱越大，根据这个规律可以得出信号强度的衰减与距离的关系。目前工业中采用最多的无线信号传输理论模型为shadowing模型[8]：　　参数优化　　A和n的值对能否实现精准定位起着至关重要的作用，为了提高RSSI信号值的准确度，参数A和n的取值需要在实际定位环境中多次测量计算取得。　　盲节点RSSI阈值处理为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。 为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　所谓盲节点RSSI阈值[10]，用来排除受环境干扰比较严重的参考节点接收到的RSSI信号值，是衡量RSSI信号值的一个标准量。　　设阈值为RRSSI，参考节点的定位半径为r，首先参考节点在距离盲节点为r处接收多个RSSI信息包，然后通过参考节点RSSI值滤波处理的优化步骤得到一个RSSI值，该值可作为阈值RRSSI。为了提高定位的准确性，需多次测量，最后取所有RSSI值的平均值作为阈值。　　假设盲节点接收到一跳范围内n个参考节点的RSSI值RSSIi，i=0，1，…，n，x为RSSIi≥RRSSI的个数。如果x≥3，则这x个参考节点所接收的RSSI信号值说明，该参考节点的数据受障碍物影响小，可以使用；如果x<3，即参考节点受障碍物影响大，但所接收的RSSI仍具有参考意义。所以，将一部分参考节点接收到的RSSI信号值与参考节点位置信息打包发送给协调器。　　盲节点坐标计算　　ZigBee自组网　　ZigBee网络最大的特点就是在ZigBee启动后将自动形成ZigBee局域网络。ZigBee的网络类型分为星型网、树状网和网状网。组建一个ZigBee网状网分为两步：①协调器初始化；②ZigBee节点加入网络。　　协调器初始化网络为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。 为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　协调器初始化网络步骤：①检测协调器。由具有ZigBee协调器功能的节点发起建立一个新网络；②信道扫描。网络层实体选出一个网络数目最少、符合要求的信道。若没有，则进程终止，初始化失败；③配置网络参数。网络管理层实体随机分配一个唯一的PAN描述符给这个新网络。若没有符合�l件的PAN描述符则进程终止，初始化失败；④运行新网络。MAC层启动并运行新网络；⑤允许设备加入网络，由ZigBee协调器或路由器来设置网络状态。　　通过上述步骤，协调器建立一个新的网络并允许ZigBee节点加入。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。