基于Zigbee的差分测距和定位研究.pdf

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1、应用基于Zigbee的差分测距和定位研究曾刚日州V(广州市地下铁道总公司，广东广州510000)[摘要]针对无线测距和定位问题，利用电磁波传播衰减特性，提出了一种差分测距和定位方案，以修正传播环境带来的衰减随机误差。实验结果表明，在室内环境中，该方案可以有效提高定位精度。[关键词]差分测距；定位；Zigbee1．引言在物联网中，关于节点如何定位，以往进行了大量的研究。根据定位中测距手段的不同，其技术路线分为四类：利用电磁波传播衰减特性进行测距(RSSI)；利用电磁波传播时间进行测距(TOA)；利用电磁波和其它物理波(如超声波)的波速差进行测距(TDOA)；利用电磁

2、波入射角进行测距(AOA)。后面三种技术路线适用于远距离、高精度测距，对硬件要求高，在大多数应用场景中不太现实。利用电磁波传播衰减特性的测距方案成本和复杂度都不高，已经有了许多实例，其中，Zigbee节点的测距方案较为典型。这些方案一般通过节点测得的RSSI(ReceiveSignalStrengthIndication)，也就是接收信号强度值，估算信号传播距离，再根据多点测距结果对待测节点定位。考虑到实际应用环境中多径等多种衰落因素对电磁波传播的影响，基于自由空间传播损耗的测距理论模型一般要进行修正。文献[1】[2】【3]等在实测数据的基础上通过曲线拟合的方式求

3、取传播距离与信号强度衰减值的关系，文献[4】通过求取待测节点相对于两个参考节点在纵向、横向上的偏移值来得到待测坐标值。本文试图提出一种方案，在自由空间传播损耗测距理论模型的基础上，推导使用一对固定参考节点对基于RSSI的测距结果进行差分修正的公式，并使用多对固定参考节点测定待测节点坐标，再对多次定位结果聚合，以提高定位精度。结果表明，该方案在试验环境中可以有效提高定位精度。2．自由空间传播损耗测距理论模型及其修正假设固定参考节点使用全向天线，发出的是各向同性的球面波，发射功率为P。，则距离固定参考节点为d处的能流密D度s=三，如果待测节点同样使用全向天线进行接收，

4、其4"trd‘方向系数为D=I，则其天线有效面积为A=娑=—rAo，那么斗1Tq-1T待测节点的接收功率为厂l-,2Pr2SA_Ptl彘J(1)鲁=(竿)2㈤对(2)式两边换算成分贝数，有PL-P。一Pr=20194Ⅱ+2019d+2019f--2019c(3)(3)式为自由空间传播损耗理论模型。在实际环境中，通常采用Shadowing模型，即[P，】。2[P0】。一lOnlg(爰)+fm。(4)其中，d0为参考距离；P。为距离为do时接收到的信号强度；d为实际传播距离；t称遮蔽因子，以dbm为单位，是均值为0的高斯随机变量：n为路径损耗指数，其值依赖于传播环境。

5、通常对(4)式会进行简化，忽略遮蔽因子，得到／．、RSSI-[P，】。。2[Po】。一10nlg【瓦dJ(5)(5)式中的n待定，必须根据多次实测值进行优化。3．基于固定参考节点对的差分测距和定位利用电磁波传播衰减特性进行测距(RSSI)通常以(5)式为数学依据。但(5)式是对(4)式的简化，实测时RSSI值一般带有随机的抖动，这种不稳定性在(4)式中通过遮蔽因子‘加以表示。在测距时，如果直接从(5)式根据实测RSSI值求解距离d，显然会引入忽略遮蔽因子I带来的随机误差。为了对这种随机误差进行修正，本文引入了差分测距的思想，即假设在室内传播环境中，对于同一发射源，

6、空间中两个接收点在同一瞬间的接收信号强度【P，-]。。2[P。】。。一lonlg【乏J+孝一，【P，2】。2【P0]。一10nlgI专J+孝m，有‘tnm-‘zam。这样就可以不通过求解(5)式来计算距离d，而是通过将(4)式中的P，．和P。相减来计算距离d，从而修正遮蔽因子l带来的随机误差，其计算方法如下。如图l所示，节点1、2为两个固定参考节点，节点3为待测节点。以节点1为原点，沿节点对1、2连线方向和其垂直方向建立直角坐标系，则有：匝=[JPo]。一10nlg(鲁]+‰。作者简介：曾刚，男，湖南人，博士，工程师，研究方向：电子技术在安全与应急领域的应用研究。

7、一55—l学术探讨应用技术与研究—二±二二=二=二二二=二二二二二二二二二二二二二二二2014年第9期一[Prl3]abm-[P山。训ntg(鲁)增。其中，P。、P。分别为节点2、3接收到的节点1信号强度。假定‘-zn。=l一，曲m，有[P，l山。一[n：】。。=loIllg(鲁]即丧=(鲁)”琊么有“司z×(爿：㈣图l差分测距中的节点设置同样的方法可测得d23=d12×㈡：(7)那么COS币=(d22+d2。，一d毛)／(2×d12xd。，)节点3的坐标(X，y)为Jx=d13×COS≯IY=d13xsin《b。(8)为了进一步修正测距中的随机误差，如图2所示，

8、设置呈矩形