基于ZigBee的室内无线定位算法的比较及改进

罗毅++陆仪雯++殷贝迪

摘 要：随着通信技术的发展，人们对越来越依赖定位功能，特别是在机场大厅、养老院、图书馆、地下停车场和矿山等复杂的环境中，有必要掌握设施、人员等的精确位置信息。由于ZigBee技术具有低功耗、低成本等优势，所以，被广泛应用。通过比较ZigBee技术中的不同算法发现，利用基于RSSI测距的分步定位法可以获得最高的定位精度。

关键词：ZigBee；分步定位法；RSSI测距；定位精度

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.078

1 研究目标

通过比较基于ZigBee的4种室内无线定位算法，找出最优的算法，并进一步改进其精度。

2 研究内容

利用matlab仿真比较4种无线测距算法的精度，以参考节点为圆心，测出距离为半径做圆的方法，并找出移动节点。

2.1 基于到达时间的测距技术（TOA）

基于TOA的测距技术是利用信号的传输速度和时间来计算节点之间的距离，可用公式为：

D=v[（T3-T0）-（T2-T1）]/2. （1）

式（1）中：D为节点间距离；v为信号速度：T3为二次接收时间；T0为一次发射时间；T2为二次发射时间；T1为一次接收时间。

2.2 基于到达时间差的测距技术（TDOA）

基于TDOA的测距技术是用来计算发射节点发出的2种不同信号到达接收节点的时间差与传播速度得到节点之间的距离。具体公式为：

d=[（T3-T1）-（T2-T0）]（v1v2/（v1-v2）. （2）

式（2）中：d为节点间距离；v1，v2为2种信号的速度。

2.3 基于到达角度的测距技术（AOA）

在基于AOA的测距技术中，信号入射角度为a，天线之间的距离为d，无线信号波长为m，相邻两个天线接收到的信号角度差为b，天线阵列1坐标设为（0，h），天线阵列2坐标设为（0，0），发射节点对两个天线的入射角为a和c，由此得待定位发射节点的坐标公式为：

x=h/（cota+cotc）. （3）

y=hcotc/（cota+cotc）. （4）

2.4 基于信号强度的测距技术（RSSI）

室内的无线信号传播损耗与传播距离d有关，还与传播路径中的阻挡有关，常用的距离损耗模型为：

RSSI=RSSI0+10klog（d/d0）+f. （5）

式（5）中：RSSI为距离是d时接收到的信号强度；RSSI0为距离是d0时接收的信号强度；k是路径损耗指数，与建筑物的性质有关；d为真实距离；d0为参考距离；f为一个符合高斯分布的随机数，均值为零，是用来表示路径损耗的速率。

在实际应用中，距离损耗模型通常为d0=1 m。由此可得到的RSSI测距公式的实际应用为：

RSSI=-[RSSI～+10klog（d）+f]. （6）

式（6）中：RSSI～为距信号源1 m处接收到的信号强度平均绝对值。

由此可简化得：

d=10^[（-RSSI～-RSSI）/（10k）]. （7）

作圆法会有相当大的缺陷，因为每个节点的硬件和功耗都不一样，测得的距离会有一定的误差，所以，这些圆可能不会交于一点。事实上，应该是相交于中间一块小区域。因此，利用这样的方法得出的参考节点坐标存在一定的误差。鉴于此，相关人员需要通过改进算法来获得一个误差相对较小的位置，以提高结果的精确度。

3 利用分步定位法改进RSSI算法

分步定位法的步骤是：①分别将参考节点A，B作为圆心，将测得的参考节点到移动节点的距离RA，RB为半径做圆，则2个圆会有3种关系，即两圆相离，两圆相切，两圆相交。②当两圆相离时，移动节点O在线段AB上的相对位置OAB可以用|AOAB|∶|BOAB|=RA∶RB来定位；当两圆相切时，移动节点O在线段BC上的相对位置OBC就是该切点；当两圆相交时，以其他参考节点B的坐标作为方向参考，可以选择一个交点作为移动节点O在线段AC上的相对位置OAC.③再分别以另外两对参考节点为圆心，重复①②两步，可分别得到移动节点O相对于AC的位置OAC和相对于BC的位置OBC.④OAB，OAC，OBC3点的中心坐标即为移动节点O的实际位置。

使用分步定位法只要3个参考节点。此外，采用分步定位法分别计算OAB，OAC，OBC的坐标，然后得出移动节点O的坐标。这样，就可以将由于环境噪声带来的误差抵消，从而得到更高的精度。

4 基于RSSI的作圆法和分步定位法的比较

4.1 作圆法

利用matlab对RSSI测距下的作图法进行仿真，具体如图1所示。

4.2 分步定位法

利用matlab对RSSI测距下的分步定位法进行仿真，具体如图2所示。

5 结论

采用作圆法计算移动节点的位置坐标比较分散，与实际坐标的位置偏离较远，误差比较大。因为作圆法没有去除环境噪声，而噪声的叠加会严重影响定位精度。采用分步定位法计算得到的坐标与实际坐标比较近，误差比较小。这是因为分步定位法先分别定位出3个参考节点中的两两节点与实际对应的坐标。这样做，减小了作圆法中环境噪声带来的测距误差。然后用相对坐标计算出目标坐标，可降低对硬件性能功耗的要求，提高定位精度，增強系统的稳定性。

〔编辑：白洁〕