陳 靜，顧祥玉，趙千倩，吳 瑩，余 雨

（南京工程學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

2019年，第五代移動(dòng)通信（5G）系統(tǒng)開(kāi)始商業(yè)化。在5G三大應(yīng)用場(chǎng)景中，大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）作為物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)潛在而重要的應(yīng)用場(chǎng)景，一直以來(lái)深受國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注。

伴隨移動(dòng)通信技術(shù)的不斷更新，無(wú)線傳感器網(wǎng)的布設(shè)和應(yīng)用量得到了前所未有的提升。無(wú)線傳感器網(wǎng)是由大量微型低成本傳感器構(gòu)成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，在節(jié)點(diǎn)處采用無(wú)線的方式進(jìn)行通信，被監(jiān)控對(duì)象的信息以協(xié)同的方式被感知、收集、處理和傳輸，具有實(shí)現(xiàn)區(qū)域的監(jiān)測(cè)、為用戶提供服務(wù)的多項(xiàng)功能，因此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)中，如果要確定各個(gè)傳感器、智能設(shè)備和物聯(lián)節(jié)點(diǎn)的位置，從而開(kāi)展設(shè)備維護(hù)、信息更新和數(shù)據(jù)采集任務(wù)，那么定位功能不可或缺。位置信息的獲取和應(yīng)用成為人們生活中的重要需求，缺失定位的監(jiān)測(cè)信息是不完整的。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)中的定位問(wèn)題已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)。

在mMTC應(yīng)用場(chǎng)景下大量的傳感節(jié)點(diǎn)被布設(shè)在環(huán)境中，如果單獨(dú)引入定位系統(tǒng)，將會(huì)較大程度地增加通信系統(tǒng)構(gòu)建的成本，采用傳感器、智能設(shè)備和物聯(lián)節(jié)點(diǎn)自帶的信號(hào)或者功能進(jìn)行定位是較好的解決方案。實(shí)際上，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，大部分節(jié)點(diǎn)采用ZigBee、WiFi或藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線通信，未來(lái)可能會(huì)應(yīng)用毫米波頻段相關(guān)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和匯集。這些無(wú)線通信技術(shù)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即采用RSSI或類似指標(biāo)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)。因此，為了保證物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的準(zhǔn)確性、完整性和經(jīng)濟(jì)性，如何利用RSSI信號(hào)構(gòu)建低成本的室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下3D定位系統(tǒng)成為了亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 相關(guān)研究工作

現(xiàn)有無(wú)線傳感網(wǎng)定位方法可以分為3類：鄰近信息法、場(chǎng)景分析法、幾何特征法。其中，幾何特征法是一種基于幾何原理的定位算法，是目前應(yīng)用最廣泛的定位算法，一般情形下需要確定多個(gè)點(diǎn)及多條邊作為已知條件。

1.1 基于RSSI的質(zhì)心定位算法

質(zhì)心定位算法是利用連接性進(jìn)行定位的算法，在不確定距離信息的情況下就可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的定位，容易實(shí)現(xiàn)。算法的原理主要是利用錨節(jié)點(diǎn)以一定的時(shí)間為周期向四周發(fā)射自身的位置信息和唯一的標(biāo)識(shí)符，待定位的盲節(jié)點(diǎn)不斷搜索附近不同的錨節(jié)點(diǎn)信息，當(dāng)收到的信息來(lái)自不同的錨節(jié)點(diǎn)并且錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)達(dá)到某一閾值后，就通過(guò)個(gè)錨節(jié)點(diǎn)確定自身的位置。假設(shè)盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（，），個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)依次為（,），（,），...，（x,y），利用質(zhì)心算法可得未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為：

傳統(tǒng)質(zhì)心定位算法的不足之處在于：當(dāng)盲節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的信號(hào)在各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)處形成的信號(hào)強(qiáng)度值方差相差很大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致較大的定位誤差。

1.2 三邊定位算法

三邊定位算法通過(guò)測(cè)量待定位節(jié)點(diǎn)與三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的距離，計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的位置。通過(guò)此種定位算法不難得出未知節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，待定位未知節(jié)點(diǎn)必須在其通信范圍內(nèi)。基本原理如圖1所示。

圖1 三邊測(cè)量法的原理

已知未知節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自于、、位置信息的數(shù)據(jù)包，、、三點(diǎn)的坐標(biāo)信息為（x,y）、（x,y）、（x,y）、節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)信息的距離為d、d、d，令未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（，），建立如下方程即可解得點(diǎn)的值：

然而這些研究主要采用的是WSN技術(shù)，成本高，且只能進(jìn)行二維定位，缺乏對(duì)設(shè)備的高度信息的反饋。因此，本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出一個(gè)基于RSSI的低成本室內(nèi)三維空間定位模型并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

如前所述，現(xiàn)有大部分傳感器、智能設(shè)備或物聯(lián)節(jié)點(diǎn)都采用ZigBee、WiFi或藍(lán)牙無(wú)線通信協(xié)議，這些無(wú)線通信協(xié)議的RSSI信息較易獲取。為了構(gòu)建低成本的室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下3D定位系統(tǒng)，不失一般性地，本文采用ZigBee技術(shù)對(duì)三維室內(nèi)空間的定位進(jìn)行研究，進(jìn)而推廣到WiFi或藍(lán)牙技術(shù)的定位。

ZigBee技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的無(wú)線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、高擴(kuò)充及自組織等特性，且部署簡(jiǎn)單，在軍事、環(huán)境、醫(yī)療、智能家居和工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域都已展現(xiàn)出較為廣闊的應(yīng)用前景。使用ZigBee技術(shù)進(jìn)行定位研究，有低成本、易實(shí)現(xiàn)及靈活性高等特點(diǎn)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有著難以替代的作用。

CC2530是TI公司推出的用于2.4 GHz IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，它具有業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack）并且能夠提供強(qiáng)大和完備的ZigBee解決方案。因此，研究基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中3D定位技術(shù)具有相當(dāng)大的可行性和重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)的RSSI數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試條件：空曠室內(nèi)環(huán)境，尺寸為6 m×5 m×3 m。三個(gè)CC2530定位模塊每隔1 s分別定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給另一個(gè)CC2530待測(cè)定位模塊，每個(gè)位置點(diǎn)測(cè)試10次取平均值，同時(shí)將RSSI數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到筆記本電腦。筆記本電腦通過(guò)程序?qū)SSI數(shù)據(jù)處理成距離數(shù)據(jù)并矯正。

錨節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)硬件完全一致，差別在于所燒寫的軟件固件程序參考節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)采用了2.4 GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案，節(jié)點(diǎn)模塊可獨(dú)立上電使用。

RSSI測(cè)距算法公式為：

其中：表示信號(hào)射頻參數(shù)，單位為dBm，含義是距離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)1 m處接收到的信號(hào)平均能量的絕對(duì)值，即距離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)1 m處的無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度；為信號(hào)衰減參數(shù)，該參數(shù)值與環(huán)境有關(guān)。

利用RSSI進(jìn)行定位時(shí)，為減小環(huán)境和設(shè)備安裝所帶來(lái)的距離計(jì)算偏差，須采集多組值和RSSI值來(lái)確定和的值。

3 基于RSSI的低成本室內(nèi)三維空間定位模型

相對(duì)于點(diǎn)的三維定位數(shù)據(jù)如下：

三維定位是二維平面定位的延展，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)在三維空間的定位時(shí)，用于定位的各項(xiàng)變量無(wú)論是錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)還是節(jié)點(diǎn)之間的距離，亦或者是角度數(shù)據(jù)都必須要擴(kuò)展到三維空間當(dāng)中去。此外，在進(jìn)行三維定位研究時(shí)，因考慮到的因素比二維更加復(fù)雜，在實(shí)際研究過(guò)程中需要采用適當(dāng)?shù)亩ㄎ晃恢糜?jì)算算法以及定位研究模型，才能實(shí)現(xiàn)理論上可行的三維空間定位。本研究模型的構(gòu)建基于三維空間中的四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)對(duì)空間盲節(jié)點(diǎn)的定位?；赯igBee的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中3D定位場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中3D定位場(chǎng)景

因研究中采集到的信號(hào)在實(shí)際傳輸過(guò)程中會(huì)受到各種干擾，如人的走動(dòng)、環(huán)境信號(hào)噪聲等，因此需要對(duì)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)算法進(jìn)行誤差校正。整個(gè)過(guò)程中的誤差主要由時(shí)間誤差和定位誤差兩部分組成，關(guān)系到未知節(jié)點(diǎn)的定位精度與RSSI的參數(shù)和基站節(jié)點(diǎn)測(cè)量位置的精度。在測(cè)量RSSI值參數(shù)時(shí)會(huì)受到多路徑、通信信道以及空間中的各種噪聲，甚至包含一些電磁場(chǎng)的干擾；另外，在計(jì)算定位過(guò)程中估計(jì)的誤差是不確定的。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真

表1給出了定位模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，其中、、為理論坐標(biāo)值，、、為實(shí)際坐標(biāo)值。由表1數(shù)據(jù)可知，RSSI值與距離的擬合關(guān)系中存在著較強(qiáng)的線性關(guān)系。在實(shí)際的6 m×5 m×3 m空曠實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，考慮到ZigBee天線本身、多路徑及空間中的各種噪音，在各個(gè)發(fā)射和接收模塊的天線角度不變的情況下，對(duì)射頻參數(shù)即距離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)1 m處的無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行多次測(cè)量，并計(jì)算其平均值，以此減小誤差，在本次實(shí)驗(yàn)中的取值為39 dBm；為信號(hào)衰減參數(shù)，該參數(shù)值與環(huán)境有關(guān)，在本次實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過(guò)多次測(cè)量和計(jì)算取值為3.15。

表1 定位模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的錨節(jié)點(diǎn)部署完成后，設(shè)定錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射通信信號(hào)，盲節(jié)點(diǎn)會(huì)得到該錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)RSSI數(shù)據(jù)值。由于ZigBee定位的精度不高，所以在數(shù)據(jù)分析的過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的處理顯得尤為重要。先對(duì)改組數(shù)據(jù)序列進(jìn)行預(yù)處理：在信號(hào)序列中，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行大小排序，提出兩端可能含有粗差的數(shù)據(jù)，找出信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的中位數(shù)，選取一個(gè)以中位數(shù)為中點(diǎn)的區(qū)間，實(shí)心信號(hào)區(qū)間內(nèi)粗差數(shù)據(jù)減少；最后將選取的信號(hào)區(qū)域內(nèi)信號(hào)值求平均，并將結(jié)果作為最終輸出，用于最終坐標(biāo)位置定位估算。

如圖3所示，在文中的測(cè)試場(chǎng)景下RSSI值與三維坐標(biāo)值之間存在一定的關(guān)系，并且實(shí)驗(yàn)中得到的實(shí)際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)之間存在誤差，但是在ZigBee模塊的允許誤差范圍內(nèi)。在復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)中，RSSI值轉(zhuǎn)化的理論三維坐標(biāo)與實(shí)際三維坐標(biāo)之間的誤差會(huì)增大，但是通過(guò)多組數(shù)據(jù)之間的擬合計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易、粗略的測(cè)距和定位功能。

圖3 節(jié)點(diǎn)分布

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從理論上提出了基于RSSI值的無(wú)線ZigBee測(cè)距定位技術(shù)，構(gòu)建了基于RSSI的低成本三維空間定位模型，在實(shí)際操作中運(yùn)用了CC2530測(cè)距定位模塊實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，對(duì)RSSI和距離公式的參數(shù)設(shè)置精確化，得到了RSSI值與三維坐標(biāo)之間的關(guān)系；并且對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的誤差分析以及對(duì)原始數(shù)據(jù)處理的方法得到進(jìn)一步提升，為進(jìn)行下一步的高精度定位提供了實(shí)際基礎(chǔ)。雖然基于RSSI的測(cè)距定位在定位的精度和環(huán)境的選取時(shí)存在較大的限制和影響，但是由于模塊簡(jiǎn)單易得及其本身提供的工具豐富，不需要額外的硬件和軟件，因此在定位測(cè)距方面依然具有比較高的價(jià)值和選取余地。