一種基于2點(diǎn)rssi的動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及室內(nèi)定位技術(shù)，具體涉及基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，人們有大量的時(shí)間活動(dòng)于室內(nèi)環(huán)境（80%左右），人們的日常生 活越來(lái)越依賴于基于位置服務(wù)所帶來(lái)的便利，使得解決室內(nèi)定位問(wèn)題迫在眉睫。
[0003] 多年來(lái)，經(jīng)過(guò)了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的大量研究，目前能夠用于室內(nèi)定位的技術(shù)主要 有紅外技術(shù)（Infrared)，藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth)，無(wú)線射頻技術(shù)（RFID)，Zigbee，無(wú)線局域 網(wǎng)（Wi-Fi)，光（Light)和超寬帶（UWB)等。為了獲得較好的定位精度，出現(xiàn)了基于測(cè)距式 和非測(cè)距式等定位方案。而且，相對(duì)于非測(cè)距式定位方案，測(cè)距式定位方案能夠獲得較好的 定位精度。
[0004] 在基于無(wú)線信號(hào)接收強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI)， 信號(hào)達(dá)到時(shí)間（TOA)，信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA)，信號(hào)到達(dá)角度（AOA)等測(cè)距式的定位方案 中，TOA、TDOA和AOA等方案通常需要特制的、較為復(fù)雜的硬件設(shè)備或嚴(yán)格系統(tǒng)時(shí)間同步機(jī) 制等技術(shù)的支持，使得整個(gè)定位系統(tǒng)的成本、復(fù)雜度提高，制約著它們的向更好的方向發(fā) 展。
[0005] 然而，基于RSSI的測(cè)距式定位方案可以利用現(xiàn)成的商用無(wú)線信號(hào)發(fā)射、接收裝置 進(jìn)行定位，因?yàn)榇蟛糠脂F(xiàn)有的商用無(wú)線信號(hào)收發(fā)設(shè)備已經(jīng)集成有現(xiàn)成的能夠根據(jù)接收得到 的數(shù)據(jù)包測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度值的底層通信模塊，使得該類定位方案具有低成本、低復(fù)雜度 等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 在基于RSSI的室內(nèi)定位方案中，主要的是基于指紋數(shù)據(jù)庫(kù)（Fingerprint)的定位 算法。通常，基于RSSI指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的定位方案包含了兩個(gè)階段，離線（Off-line)訓(xùn)練階 段和在線（On-line)定位階段。在離線訓(xùn)練階段中，該類算法往往需要進(jìn)行實(shí)地的信號(hào)勘 測(cè)工作，采集定位區(qū)域選取的若干個(gè)參考點(diǎn)位置上的RSSI強(qiáng)度值作為指紋特征，并且，為 了獲得較高的定位精度，通常需要大量增加勘測(cè)點(diǎn)，使得其工程量和計(jì)算復(fù)雜度大幅度增 加。其次，由于現(xiàn)實(shí)定位環(huán)境具有動(dòng)態(tài)性，且RSSI的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)環(huán)境變化具有較強(qiáng)的敏 感性，任何的環(huán)境改變都將影響指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)確性。為了獲得較好的定位性能，任何環(huán)境 的變化都將導(dǎo)致RSSI指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的重新訓(xùn)練，使得操作、計(jì)算復(fù)雜度進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有基于無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度的室內(nèi)定位方案，所存在的定位精度差以及計(jì)算復(fù)雜 度高等問(wèn)題，本專利的目的在于提供一種基于2點(diǎn)RSSI的動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位方案，以提高 室內(nèi)定位的精度，并降低計(jì)算復(fù)雜度。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本專利采用如下的技術(shù)方案：
[0009] 方案1 :提供一種基于2點(diǎn)RSSI的動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)獲取兩個(gè) 無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的位置值，并基于運(yùn)行動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位方法進(jìn)行實(shí)時(shí)位置估計(jì)。
[0010] 進(jìn)一步的，待定位節(jié)點(diǎn)與無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間無(wú)信息交互過(guò)程。
[0011] 再進(jìn)一步的，所述定位系統(tǒng)包括：
[0012] 信號(hào)發(fā)射模塊，所述信號(hào)發(fā)射模塊由無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射無(wú)線信號(hào)；
[0013] 信號(hào)接收模塊，所述信號(hào)接收模塊由待定位節(jié)點(diǎn)接收并測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度值；
[0014] 路徑損耗因子估計(jì)模塊，所述路徑損耗因子估計(jì)模塊根據(jù)信號(hào)接收模塊獲取的信 號(hào)強(qiáng)度值進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境的路徑損耗因子；
[0015] 定位模塊，所述定位模塊運(yùn)行動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位算法并獲得實(shí)時(shí)位置估計(jì)。
[0016] 再進(jìn)一步的，所述定位系統(tǒng)還包括節(jié)點(diǎn)部署模塊，該模塊用于在目標(biāo)區(qū)域部署η 個(gè)位置已知的無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，布置具有接收并測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度值功能的待定位節(jié) 點(diǎn)。
[0017] 再進(jìn)一步的，所述待定位節(jié)點(diǎn)在地面上的投影與無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)在地面上的投 影處于同一條直線；若待定位節(jié)點(diǎn)與無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)處于不同高度時(shí)，具體可利用基本 三角定理進(jìn)行高度補(bǔ)償。
[0018] 方案2 :提供一種基于2點(diǎn)RSSI的動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位方法，該定位方法利用2個(gè) 無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度值，進(jìn)行動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位。
[0019] 進(jìn)一步的，所述定位方法中待定位節(jié)點(diǎn)與無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間無(wú)信息交互過(guò) 程。
[0020] 進(jìn)一步的，所述定位方法主要包括如下實(shí)現(xiàn)步驟：
[0021] (1)待定位節(jié)點(diǎn)獲取兩個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的位置值，并不斷測(cè)量從無(wú)線信號(hào)發(fā) 射節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度值；
[0022] (2)利用接收信號(hào)強(qiáng)度值和已知的兩個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的位置值，對(duì)距離-損 耗模型中的路徑損耗因子進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)；
[0023] (3)產(chǎn)生若干特定分布的待定位位置；
[0024] (4)利用實(shí)時(shí)采集得到的接收信號(hào)強(qiáng)度值分別對(duì)每一個(gè)待定位位置的可能性進(jìn)行 判斷，得到對(duì)應(yīng)的權(quán)值；
[0025] (5)通過(guò)重采樣算法對(duì)權(quán)值較小的待定位位置進(jìn)行剔除操作；
[0026] (6)重復(fù)進(jìn)行步驟4、步驟5,直至滿足一定的迭代終止條件；
[0027] (7)得到待定位節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)。
[0028] 再進(jìn)一步的，所述定位方法中還包括節(jié)點(diǎn)布置步驟，在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行無(wú)線信號(hào)發(fā) 射節(jié)點(diǎn)布置。
[0029] 再進(jìn)一步的，所述節(jié)點(diǎn)布置過(guò)程如下：
[0030] 在一維目標(biāo)區(qū)域布置η個(gè)位置已知的無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，待定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在地面 上的投影與無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)在地面上的投影處于同一條直線；若待定位節(jié)點(diǎn)與無(wú)線信號(hào) 發(fā)射節(jié)點(diǎn)處于不同高度時(shí)，具體可利用基本三角定理進(jìn)行高度補(bǔ)償。
[0031] 本專利提供的定位方案為基于RSSI的一維動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位方案，本定位方案 無(wú)需待定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的信息交互過(guò)程，相對(duì)于傳統(tǒng)的基于RSSI的定位技術(shù)，可 實(shí)現(xiàn)快速、高效、高精度的定位。
[0032] 同時(shí)，該定位方案能夠較好地克服接收信號(hào)強(qiáng)度值的波動(dòng)性問(wèn)題，具有較強(qiáng)的環(huán) 境魯棒性，兼顧計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)有效地提高了定位精度。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本專利。
[0034] 圖1為本專利實(shí)例方案中定位系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；
[0035] 圖2為本專利實(shí)例方案中進(jìn)行定位的流程圖；
[0036] 圖3為本專利實(shí)例方案進(jìn)行仿真的結(jié)果圖；
[0037] 圖4為本專利實(shí)例方案的應(yīng)用示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 為了使本專利實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié) 合具體圖示，進(jìn)一步闡述本專利。
[0039] 本實(shí)例提供的定位系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的快速、精確定位，在一次定位過(guò)程中，待定 位節(jié)點(diǎn)只利用2個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度值（該2個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)可以為 與待定位節(jié)點(diǎn)相距最近的2個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)），并基于運(yùn)行動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位方法進(jìn) 行實(shí)時(shí)位置估計(jì)。
[0040] 同時(shí)，在定位過(guò)程中，相應(yīng)的待定位節(jié)點(diǎn)與無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)（即參考節(jié)點(diǎn)）之間 無(wú)信息交互過(guò)程。
[0041] 參見(jiàn)圖1，其所示為本實(shí)例中提供的定位系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。由圖可知，該定位系統(tǒng) 100主要包括信號(hào)發(fā)射模塊101、信號(hào)接收模塊102、路徑損耗因子估計(jì)模塊103、定位模塊 104以及節(jié)點(diǎn)部署模塊105。
[0042] 其中，節(jié)點(diǎn)部署模塊105,其主要用于在目標(biāo)區(qū)域部署η個(gè)位置已知的無(wú)線信號(hào)發(fā) 射節(jié)點(diǎn)（即參考節(jié)點(diǎn)），同時(shí)布置具有接收并測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度值功能的待定位節(jié)點(diǎn)。在本 系統(tǒng)具體應(yīng)用時(shí)，該待定位節(jié)點(diǎn)可以為待定位目標(biāo)（如手機(jī)、車輛等等），通過(guò)對(duì)待定位目 標(biāo)進(jìn)行配置，使其具有接收并測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度值功能，繼而形成待定位節(jié)點(diǎn)。
[0043] 信號(hào)發(fā)射模塊101，用于由部署的無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射無(wú)線信號(hào)。該信號(hào)發(fā)射 模塊101可采用現(xiàn)有可進(jìn)行無(wú)線信號(hào)發(fā)射方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，其可直接運(yùn)行在無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn) 中，或采用其它可行的方案，由無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射無(wú)線信號(hào)。
[0044] 信號(hào)接收模塊102,用于由待定位節(jié)點(diǎn)接收并測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度值。該信號(hào)接收模 塊102可采用現(xiàn)有可進(jìn)行無(wú)線信號(hào)接收并測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度值的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，其可直接運(yùn) 行在待定位節(jié)點(diǎn)中（即待定位目標(biāo)），或采用其它可行的方案，由待定位節(jié)點(diǎn)接收并測(cè)量接 收信號(hào)強(qiáng)度值。
[0045] 該信號(hào)接收模塊102具體運(yùn)行時(shí)，不斷接收并測(cè)量從無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無(wú) 線信號(hào)，并獲得接收信號(hào)強(qiáng)度值最好的兩個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。
[0046] 路徑損耗因子估計(jì)模塊103,其基于信號(hào)接收模塊102接收并測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度 值，實(shí)時(shí)估計(jì)無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境的路徑損耗因子。
[0047] 該模塊103具體基于由信號(hào)接收模塊102測(cè)量的接收信號(hào)強(qiáng)度值和確定的已知的 兩個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，對(duì)距離-損耗模型中的路徑損耗因子進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。
[0048] 定位模塊104,該模炔基于信號(hào)接收模塊102接收并測(cè)量的接收信號(hào)強(qiáng)度值以及 路徑損耗因子估計(jì)模塊103確定的路徑損耗因子，運(yùn)行動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位算法并獲得實(shí)時(shí) 位置估計(jì)。
[0049] 由此構(gòu)成的定位系統(tǒng)，具體為基于RSSI的一維動(dòng)態(tài)加權(quán)進(jìn)化定位方案，有效解決 利用無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行室內(nèi)定位時(shí)，由于動(dòng)態(tài)環(huán)境的干擾和信號(hào)傳播時(shí)發(fā)生反射、散射、折 射而存在著多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)等現(xiàn)象；避免同一位置所探測(cè)得到的RSSI強(qiáng)度值存在著波 動(dòng)性問(wèn)題，同時(shí)降低計(jì)算復(fù)雜度。
[0050] 另，本實(shí)例進(jìn)行室內(nèi)定位的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下（參見(jiàn)圖2):
[0051] 步驟1 :在一維目標(biāo)區(qū)域布置η個(gè)位置已知的無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)（Access Points， APs)，待定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在地面上的投影與APs在地面上的投影處于同一條直線，且待定位 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與無(wú)線發(fā)射節(jié)點(diǎn)處于同一高度，當(dāng)待定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)處于不同 高度時(shí)，利用基本三角定理進(jìn)行高度補(bǔ)償。
[0052] 步驟2 :無(wú)線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)與待