一種自適應校準的大型室內(nèi)rssi混合濾波定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自適應校準的大型室內(nèi)RSSI混合濾波定位方法，包括自適應校準定位裝置，所述自適應校準定位裝置包括位于ZigBee無線網(wǎng)絡中的數(shù)個終端節(jié)點、數(shù)個待測節(jié)點和一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，其中，終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點均設置在室內(nèi)固定位置，相互距離已知；本發(fā)明采用ZigBee無線組網(wǎng)，并結(jié)合混合濾波法，可以有效降低由于環(huán)境因素造成的測距不準，能克服因室內(nèi)障礙造成的信號阻隔等，能有效提高抗干擾性和準確性；而且適用性強，在不同的應用場景下，免去了事先測量路徑衰減因子的麻煩，同時也使得測距成本大大降低。
【專利說明】
一種自適應校準的大型室內(nèi)RSSI混合濾波定位方法
技術(shù)領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種定位方法，尤其涉及一種自適應校準的大型室內(nèi)RSSI混合濾波定 位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在首都國際機場、成都新會展中心這樣的大型單體建筑內(nèi)，找到方位不是一件容 易的事情，人們常常在里面丟失了方向，無法知道自己具體在什么地方。所以需要有效精確 的定位方法。
[0003] 室內(nèi)定位有很多種方法，Zigbee模塊體積小、自動組網(wǎng)，所以非常靈活，而Zigbee 定位中，會用到RSSI定位方法?；赗SSI(Received Signal Strength Indication接收的 信號強度指示）的定位技術(shù)，在無線傳感器網(wǎng)絡的應用中，占據(jù)了非常重要的地位。RSSI定 位是一種低成本、低功耗、無需額外的硬件開銷的定位技術(shù)，只需要對接收信號強度的判 斷，便可通過數(shù)學模型得出距離。
[0004] 但是實際應用中RSSI極易受到環(huán)境的干擾，產(chǎn)生較大波動，使得定位結(jié)果不理想。 為了將波動對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響減小，需要對RSSI值進行數(shù)字濾波，目前常用的有均值 濾波、中值濾波以及高斯濾波模型。
[0005]均值濾波法是指接收一組RSSI信號，求其算術(shù)平均值作為估算值，只有當測量數(shù) 據(jù)足夠多時，才能減小波動，但這也對設備的實時處理能力提出了較高的要求，同時當數(shù)據(jù) 波動較大時，偏差仍然較大。
[0006]中值濾波法是接收一組數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)的大小進行排列，然后取中間的數(shù)值作為 估算值，其取值少，不能真實反映RSSI值的情況。
[0007]高斯濾波法是剔除波動較大的異常數(shù)據(jù)，篩選出這些大概率數(shù)值，求算術(shù)平均，作 為濾波后的估算值。它提高了測距的抗干擾性和穩(wěn)定性，但是對于能量反射等長時間干擾 處理效果欠佳。
[0008] 通常情況下，接收信號平均功率的衰減與距離，表現(xiàn)出一種指數(shù)形式的關(guān)系。目前 常用的無線電信號傳播損耗模型為對數(shù)-常態(tài)分布模型：
[0009] P(d) ^ F(d〇) - 10 ^ I] ^ lgd/t^ 4* ^ (4)
[00i0] n為路徑衰減因子，不同環(huán)境下取值不同；P(dQ)是距離為dQ時信號的強度，通常情 況下，do典型值為lnuXcj為服從高斯分布的隨機噪聲，其均值為零，標準差為〇;P(d)為距離為 d時的信號強度，即RSSI值。將式①進行轉(zhuǎn)換得到式②，如下：
(5)
[0012]由式(5)可以看出，P(dQ)、P(d)、路徑損耗因子n以及高斯噪聲X。決定了距離d。測距 誤差便是從這其中產(chǎn)生。實際測量時會提前測量P(dQ)的值，相距l(xiāng)m時不易受到環(huán)境因素干 擾，其值較為準確;高斯噪聲X。對RSSI的影響較小，為了簡化算法，通常會將其忽略。所以誤 差的主要來源是P(d)和路徑損耗因子n。由于RSSI的取值與路徑衰減因子有關(guān)，而路徑衰減 因子因環(huán)境不同而改變，所以這些濾波方法還是不能避免受它的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的就在于提供一種解決上述問題，能夠有效避免因路徑衰減因子造成 測距不準，能提高抗干擾性和準確性的一種自適應校準的大型室內(nèi)RSSI混合濾波定位方 法。
[0014] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的：一種自適應校準的大型室 內(nèi)RSSI混合濾波定位方法，包括自適應校準定位裝置，所述自適應校準定位裝置包括位于 ZigBee無線網(wǎng)絡中的數(shù)個終端節(jié)點、數(shù)個待測節(jié)點和一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，其中，終端節(jié)點和協(xié) 調(diào)器節(jié)點均設置在室內(nèi)固定位置，相互距離已知；
[0015] 定位方法包括以下步驟：
[0016] (1)在室內(nèi)布設N個終端節(jié)點m-BN，和協(xié)調(diào)器節(jié)點B，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點的相互 距離已知，分別為di-dN;
[0017] (2)組網(wǎng)：協(xié)調(diào)器上電啟動，探測是否有待測節(jié)點加入網(wǎng)絡，若有，則與協(xié)調(diào)器連 接；
[0018] (3)設待測節(jié)點為A，計算AB間的距離d;
[0019] (31)利用混合濾波法求AB間的RSSI的值h;
[0020]所述混合濾波法為:A接收B發(fā)送的信息，從中提取一組RSSI的值，剔除兩個端值， 剩下的數(shù)值經(jīng)高斯模型進行濾波處理，再求平均值；
[0021 ] (32)利用混合濾波法求AB1間的RSSI的值kl;
[0022] (33)利用公式（1)求出AB之間的第一個估值D1;
(1)
[0024]其中，P(l)為任意兩個終端節(jié)點在上述室內(nèi)相距1米時的RSSI平均值；
[0025] (34)重復上述步驟(32)、（33)，依次得出六82到六8對司的1?31值1^2-1^，并得出估值 D2-DN，再根據(jù)式(2)，求出AB間的距離；
(2)
[0027]作為優(yōu)選:所述高斯模型為：
⑶
[0029] 其中X為混合濾波中，剔除端值后剩下的RSSI的一組樣本值，
[0030] 其中：
[0032] 作為優(yōu)選:所述協(xié)調(diào)器節(jié)點還連接一智能終端，所述智能終端獲取AB間的距離值 并顯示。
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:克服了路徑衰減因子因環(huán)境不同而改變，導 致定位不精確的缺陷，只需要預知幾個已知點即可精確測距。本發(fā)明的主體在于距離的測 量，是因為基于精確的測距，才能實現(xiàn)精確的定位。另外，本發(fā)明的定位方案適用性強，在不 同的應用場景下，免去了事先測量路徑衰減因子的麻煩，同時也使得測距成本大大降低。
[0034] 為什么說本發(fā)明采用的公式(2)
能有效避免因路徑衰減因子造成測 距不準，是因為如圖2所示：已知節(jié)點mH...Bn，B是與目標節(jié)點A進行測距的已知節(jié)點。 di、d2、d3. . . dn分別是B與BiH. . . Bn之間的距尚，d為A與B之間待測的距尚。其中Bi、B2、 B3. . .Bi為在B通信范圍內(nèi)的節(jié)點。
[0035]根據(jù)【背景技術(shù)】中式(4)可知：
[0036] AB 間的測距模型為:Pab (d) = P (1) -11 gd;
[0037] BBjg]的測距模型為：
[0038] 聯(lián)立上兩式，抵消n得
將該式轉(zhuǎn)換后，從而得出一
個與n無關(guān)的測距關(guān)系式 消除了 n對測距的影響。 9
【附圖說明】
[0039]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)不意圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明組網(wǎng)圖；
[0041] 圖3為實施例1的實驗對比圖。
【具體實施方式】
[0042] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0043]實施例1:參見圖1到圖3,本發(fā)明原理為:在室內(nèi)固定位置布設數(shù)個終端節(jié)點和一 個協(xié)調(diào)器節(jié)點，其中，終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點均設置在室內(nèi)固定位置，相互距離已知，任意 兩個終端節(jié)點在相距1米的RSSI值也就是P( 1)已知。
[0044]待測節(jié)點也為數(shù)個，是自由加入網(wǎng)絡中的，需要被測距的節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過無 線通信模塊連接一智能終端;所述智能終端可以是智能手機、平板電腦等，方便計算出待測 節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點的距離后，在智能終端上顯示。
[0045]假設其中一個攜帶待測節(jié)點的用戶走入該室內(nèi)，我們需要對其精確定位并顯示其 位置。
[0046]所以實現(xiàn)定位和顯示的具體步驟如下：
[0047] (1)在室內(nèi)布設N個終端節(jié)點也-Bn，和協(xié)調(diào)器節(jié)點B，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點的相互 距離已知，分別為di-dN;
[0048] (2)組網(wǎng)：協(xié)調(diào)器上電啟動，探測是否有待測節(jié)點加入網(wǎng)絡，若有，則與協(xié)調(diào)器連 接；
[0049] (3)設待測節(jié)點為A，計算AB間的距離d;
[0050] (31)利用混合濾波法求AB間的RSSI的值h;
[0051]所述混合濾波法為:A接收B發(fā)送的信息，從中提取一組RSSI的值，剔除兩個端值， 剩下的數(shù)值經(jīng)高斯模型進行濾波處理，再求平均值，這里說的端值，是指一組RSSI值中的最 小值、最大值；
[0052] (32)利用混合濾波法求AB1間的RSSI的值kl;
[0053] (33)利用公式（1)求出AB之間的第一個估值D1;
(1)
[0055]其中，P(l)為任意兩個終端節(jié)點在上述室內(nèi)相距1米時的RSSI平均值；
[0056] (34)重復上述步驟(32)、（33)，依次得出482到六8對司的1?31值1^-1^，并得出估值 D2-DN，再根據(jù)式(2)，求出AB間的距離；
(2)；
[0058]計算出AB間的距離后，經(jīng)協(xié)調(diào)器節(jié)點傳送給智能終端，智能終端獲取AB間的距離 值并顯示。
[0059]將數(shù)個終端節(jié)點隨機放置協(xié)調(diào)器節(jié)點B的附近。本次實驗將在A距離B:4.5米、9米、 13.5米、18米、22.5米處進行。對比采用校正模型和未采用的情況下，二者的差異。實驗對比 圖結(jié)果如下圖3。
[0060]由圖3可以看出，隨著測量距離的增加，測量誤差呈現(xiàn)減小趨勢。尤其在13.5米處， 誤差減小的效果很明顯，絕對誤差的百分比降低了將近20%;總體測量精度提高了約 12.4%〇
【主權(quán)項】
1. 一種自適應校準的大型室內(nèi)Rssr混合濾波定位方法，其特征在于： 包括自適應校準定位裝置，所述自適應校準定位裝置包括位于ZigBee無線網(wǎng)絡中的數(shù) 個終端節(jié)點、數(shù)個待測節(jié)點和一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，其中，終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點均設置在室內(nèi) 固定位置，相互距離已知； 定位方法包括W下步驟： (1) 在室內(nèi)布設N個終端節(jié)點Bi-Bn,和協(xié)調(diào)器節(jié)點B，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點的相互距離 已知，分別為山-dN; (2) 組網(wǎng)：協(xié)調(diào)器上電啟動，探測是否有待測節(jié)點加入網(wǎng)絡，若有，則與協(xié)調(diào)器連接； (3) 設待測節(jié)點為A，計算AB間的距離d; (31) 利用混合濾波法求AB間的RSSI的值h; 所述混合濾波法為:A接收B發(fā)送的信息，從中提取一組RSSI的值，剔除兩個端值，剩下 的數(shù)值經(jīng)高斯模型進行濾波處理，再求平均值； (32) 利用混合濾波法求ABl間的RSSI的值kl; (33) 利用公式(1)求出AB之間的第一個估值Dl;1 ； 其中，P( (34) 重J J，并得出估值D2- DN，再根據(jù)式2. 根據(jù)t E位方法，其特征 在于:所述局 ) 其中幼 其中：3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自適應校準的大型室內(nèi)RSSI混合濾波定位方法，其特征 在于： 公式(1)的來源是： AB 間的測距模型為:PAB(d)=P(l)-10*ri*lgd BBn間的測距樓聯(lián)立上兩式J 、而得出一個與 n無關(guān)的測距關(guān)系34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自適應校準的大型室內(nèi)RSSI混合濾波定位方法，其特征 在于:所述協(xié)調(diào)器節(jié)點還連接一智能終端，所述智能終端獲取AB間的距離值并顯示。
【文檔編號】G01S5/02GK105911519SQ201610214940
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】曾維, 陳小波, 黃亞輝, 馮坤, 楊明翰, 王子旭, 邱玉泉, 劉世偉
【申請人】成都理工大學, 曾維