專利名稱：環(huán)境自適應的rssi局部定位系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于信號能量強度定位的方法，尤其是一種環(huán)境自適應的RSSI 局部定位系統(tǒng)及方法。
背景技術：
局部定位技術按照原理可以分為三類基于時間的定位技術、基于信號強度 (RSSI，接收信號強度指示)的定位技術、基于信號角度(AOA)的定位技術，基于時間的 定位技術可分為到達時間(TOA)和到達時間差(TDOA)。TOA需要參考節(jié)點之間精確的 時間同步；TDOA受限于過短的超短波傳輸距離和環(huán)境的通視性；AOA需要額外的硬件 支持。RSSI定位系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，包括(1) 2個或者以上的參考節(jié)點， 每個節(jié)點都有無線接收和發(fā)送的功能，而且這些節(jié)點的位置都是固定而且已知的。(2) 待定位的移動節(jié)點，其傳輸協(xié)議和參考節(jié)點相同，但只具有無線發(fā)射功能。(3) —個網(wǎng) 關/基站節(jié)點，用于接收參考節(jié)點收到的移動節(jié)點的RSSI信息，通過軟件計算得出移動 節(jié)點的位置。RSSI定位技術成本低，定位精度可以滿足大部分的應用，而且它不需要額外的 硬件支持，利用參考節(jié)點和移動節(jié)點最基本的發(fā)射和接收就可以實現(xiàn)定位。但是，現(xiàn)有 技術中由于各個節(jié)點的接收器和天線的性能不一致性，環(huán)境因素等多重影響使得RSSI定 位系統(tǒng)的精度有限。局部定位技術對于工業(yè)安全監(jiān)控，例如煤礦安全等問題具有重要意義，當然其 應用領域不局限于此，用在工業(yè)流水線上，能夠提高流水線的效率。以煤礦井下工作安 全為例，一旦發(fā)生事故，如何快速、準確的找到人員所在的位置，對于救助工作有極大 的幫助。利用無線傳感器網(wǎng)絡技術，可以在監(jiān)測環(huán)境中預先布置好若干固定位置的參考 節(jié)點，并且利用這些節(jié)點來接收人員攜帶的節(jié)點發(fā)出的信號，進而通過一定的算法來確 定人員的位置。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要克服了現(xiàn)有技術在定位精度上的不足，特別是對于隨著時間變化較 大的環(huán)境，提供一種環(huán)境自適應的RSSI局部定位系統(tǒng)及方法，采用實時獲得的損耗因子 來計算距離。按照本發(fā)明提供的技術方案，所述環(huán)境自適應的RSSI局部定位系統(tǒng)包括不少于 4個參考節(jié)點，每個參考節(jié)點具有無線接收和發(fā)射功能，相互之間能夠通過協(xié)議通信，參 考節(jié)點的接收天線為各向同性，參考節(jié)點的位置是已知的；待測的一個或多個移動節(jié)點 具有無線發(fā)射功能，發(fā)射頻率、通信協(xié)議和參考節(jié)點一致，移動節(jié)點的發(fā)射天線為各向 同性；還包括至少一個基站，用于收集各個參考節(jié)點發(fā)送過來的移動節(jié)點的RSSI信息， 然后用前期測量的存放在數(shù)據(jù)庫中的損耗因子計算出移動節(jié)點到各個參考節(jié)點的距離， 從而計算出移動節(jié)點位置。
所述環(huán)境自適應的RSSI局部定位方法是采用實時更新的區(qū)域相對應的損耗因 子來計算移動節(jié)點到參考節(jié)點的距離，即，在RSSI局部定位系統(tǒng)中，每個參考節(jié)點在不 同區(qū)域的損耗因子都采用實時測量的值，監(jiān)控軟件中有損耗因子參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫 按照可設定的頻率更新，在定位過程中，采用三個信號強度最大的參考節(jié)點，根據(jù)信號 強度和距離的關系，得出移動節(jié)點的位置。所述信號強度是指射頻信號強度或者水下聲信號的強度。所述損耗因子是定時在每四個相鄰參考節(jié)點的中心測量信號強度后計算獲得， 然后存放在軟件數(shù)據(jù)庫中。在定位過程中，要先根據(jù)三個收到移動節(jié)點信號強度最大的參考節(jié)點來判斷移 動節(jié)點所屬的區(qū)域，然后利用該三個參考節(jié)點在該區(qū)域?qū)膿p耗因子分別計算出移動 節(jié)點到這三個參考節(jié)點的距離，最后利用三邊測量法來確定移動節(jié)點的位置。本發(fā)明的優(yōu)點是
1.實現(xiàn)方便本發(fā)明提出的方法采用參考節(jié)點和移動節(jié)點的收發(fā)就可以直接完成。2.提高精度可以消減監(jiān)測區(qū)域環(huán)境不均一以及時變等特性帶來的誤差，把屏 蔽等各種因素以損耗因子的形式存放在測距的數(shù)據(jù)庫中并且不斷更新，有效提高定位和 跟蹤的精度。3.適用范圍廣本發(fā)明不受陸地和水下環(huán)境的影響，可以在工業(yè)環(huán)境、民用環(huán) 境、軍事領域廣泛應用。
圖1是定位系統(tǒng)組成示意圖。圖2是定位系統(tǒng)的實時損耗因子測量示意圖。圖3是定位系統(tǒng)算法流程圖。圖4是定位系統(tǒng)工作示例。圖5是定位系統(tǒng)對環(huán)境因素的校正作用示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明在RSSI定位系統(tǒng)中， 采用實時更新的區(qū)域相對應的損耗因子來計算移動節(jié)點到參考節(jié)點的距離，使得環(huán)境因 素能夠體現(xiàn)在實時的損耗因子計算中，提高定位精度。所述的采用實時獲得的損耗因子 來計算距離，是指在RSSI (接收信號強度指示)的應用系統(tǒng)中，每個參考節(jié)點在不同區(qū) 域的損耗因子都采用實時測量的值，監(jiān)控軟件中有損耗因子參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫按照 可設定的頻率更新。所述損耗因子是定時在每四個相鄰參考節(jié)點的中心測量信號強度后 計算獲得，然后存放在軟件數(shù)據(jù)庫中。在定位過程中，采用3個信號強度最大的參考節(jié) 點，根據(jù)信號強度和距離的關系，得出移動節(jié)點的位置。具體的系統(tǒng)建設過程中，每四個相鄰的參考節(jié)點確定一個區(qū)域，在每個區(qū)域的 中心位置測試出對應參考節(jié)點的損耗因子，然后把數(shù)據(jù)存在對應的數(shù)據(jù)庫中，每個區(qū)域 對應一個4組損耗因子數(shù)據(jù)庫，這樣，相當于把環(huán)境因素，節(jié)點收發(fā)器性能的不一致性 都考慮在了損耗因子里面。在定位的過程中，首先根據(jù)3個接收到信號最強的參考節(jié)點確定移動節(jié)點在哪一個區(qū)域，然后確定用哪一個區(qū)域的參數(shù)來計算到各個參考節(jié)點的距 離，最后利用三邊測量法來計算出移動節(jié)點的位置。本發(fā)明所述信號強度可以是射頻信號強度或者水下聲信號的強度。在定位過程 中，參考節(jié)點實時測量對應各個區(qū)域的參考節(jié)點路徑損耗因子，按照設定的頻率跟新?lián)p 耗因子的數(shù)據(jù)庫；在接收到移動節(jié)點的信號時，利用信號最強的3個點來確定移動節(jié)點 所在的區(qū)域；利用對應區(qū)域的參考節(jié)點的損耗因子來計算移動節(jié)點到3個參考節(jié)點的距 離；利用三邊測量的方法計算出移動節(jié)點的位置。采用這種定位技術的優(yōu)點是，在多變 的環(huán)境(例如經(jīng)常有貨物進出的倉庫)可以解決現(xiàn)有RSSI定位技術由于環(huán)境變化引起的 精度不高的缺點。參見圖1。其中黑色的圓代表移動節(jié)點，空心的圓代表參考節(jié)點，雙向的箭頭表 示無線通信。系統(tǒng)的最基本組成可分為(1)不少于4個參考節(jié)點，每個參考節(jié)點具 有無線接收和發(fā)射功能，相互之間可以通過某種協(xié)議通信，其接收天線為各向同性，參 考節(jié)點的位置是已知的。(2)待測的一個或多個移動節(jié)點具有無線發(fā)射功能，發(fā)射頻 率、通信協(xié)議和參考節(jié)點一致，其發(fā)射天線為各向同性。(3)至少需要一個基站，用于 收集各個參考節(jié)點發(fā)送過來的移動節(jié)點的RSSI信息，然后用前期測量的存放在數(shù)據(jù)庫中 的損耗因子計算出移動節(jié)點到各個參考節(jié)點的距離，計算出移動節(jié)點位置。在利用無線能量定位的系統(tǒng)中，移動節(jié)點每隔固定時間發(fā)送信號，發(fā)送的時間 間隔也關系到定位系統(tǒng)的精度，同時也關系到移動節(jié)點的功耗問題。在實際的應用中， 由于一般采用電池供電的方式，應該考慮到對精度和使用時間的需求，然后選擇發(fā)送間 隔和發(fā)送功率。參見圖2。其中有9個空心的圓，分別代表9個參考節(jié)點，它們把整個定位區(qū)域 分為A、B、C、D，4個區(qū)域。已知無線信號傳輸損耗的公式如下
4c = ^廠 IOWdg d — I公式一
在損耗因子N的測量中，首先X代表的是參考節(jié)點和移動節(jié)點間距1米時的固定損 耗，可以預先測量多次，取平均值。Prto表示接收信號強度，Psaid表示發(fā)送信號強度。 每隔固定時間測量參考節(jié)點1、2、4、5這4個節(jié)點收到的信號強度P1, P2, P4, P5。已知 d為中心到各個參考節(jié)點的距離，可以分別計算出A區(qū)對應4個參考節(jié)點的損耗因子Nla, N2a, N4a, N5a。然后，分別測試其他3個區(qū)域參考節(jié)點對應的損耗因子，N2b, N3b, N5b, N6b, N4c, N5c, N7c, N8c, N5d, N6d, N8d, N9d，按照設定的頻率更新?lián)p耗因子的數(shù)據(jù)庫。參見圖3。定位系統(tǒng)的工作流程中，首先確保每個參考節(jié)點都加入了網(wǎng)絡，準備 就緒后，移動節(jié)點開始發(fā)送信號。參考節(jié)點按照收到移動節(jié)點信號強弱來排序，把收到 信號最強的三個參考點找出來，然后確定移動節(jié)點所在的區(qū)域。確定區(qū)域之后，用這三 個參考節(jié)點對應的該區(qū)域的損耗因子計算出移動節(jié)點到該三個參考節(jié)點的距離。最后， 利用三邊測量法得出移動節(jié)點的位置。利用無線信號強度的定位過程中，首先要根據(jù)三個收到移動節(jié)點信號強度最大 的參考節(jié)點來判斷移動節(jié)點所屬的區(qū)域，然后利用該三個參考節(jié)點在該區(qū)域?qū)膿p耗 因子分別計算出移動節(jié)點到這三個參考節(jié)點的距離，最后利用三邊測量法來確定移動節(jié) 點的位置。參見圖4，其中有2個移動節(jié)點，在移動節(jié)點1的定位過程中。首先，由于參考節(jié)點1、2、4收到的移動節(jié)點信號強度最大，確定使用這3個參考節(jié)點來定位，利用 A區(qū)的損耗因子。然后，利用上面的公式，在已知PRe。, Psend, Nla, N2a, N4a，X的情況下， 分別算出Ci1, d2, d4。然后利用三邊測量法計算出移動節(jié)點1的位置。參考節(jié)點3、5、6收到的移動節(jié)點2的信號最強，判斷移動節(jié)點2在區(qū)域B。然 后，利用公式一，在已知PRee, Psend, N3b, N5b, N6b,以及X的情況下，分別算出d3, d5, d6。 然后利用三邊測量法來計算出移動節(jié)點2的位置。參見圖5。在參考節(jié)點1、2、3、4所包圍的區(qū)域中，參考節(jié)點2、4由于最近搬 入的貨物，在損耗因子實時的測量中，參考節(jié)點2、4收到的信號強度較小，也就是說計 算出的損耗因子會比其他兩點的大。在系統(tǒng)的定位過程中，參考節(jié)點2、4使用較大的損 耗因子能夠減少由于貨物遮擋帶來的距離計算上的誤差。因此，使用非均一化的損耗因 子能夠克服多變環(huán)境下的定位難點，提高定位系統(tǒng)的精度。
權利要求
1.環(huán)境自適應的RSSI局部定位系統(tǒng)，其特征是包括不少于4個參考節(jié)點，每個參 考節(jié)點具有無線接收和發(fā)射功能，相互之間能夠通過協(xié)議通信，參考節(jié)點的接收天線為 各向同性，參考節(jié)點的位置是已知的；待測的一個或多個移動節(jié)點具有無線發(fā)射功能， 發(fā)射頻率、通信協(xié)議和參考節(jié)點一致，移動節(jié)點的發(fā)射天線為各向同性；還包括至少一 個基站，用于收集各個參考節(jié)點發(fā)送過來的移動節(jié)點的RSSI信息，然后用前期測量的存 放在數(shù)據(jù)庫中的損耗因子計算出移動節(jié)點到各個參考節(jié)點的距離，從而計算出移動節(jié)點 位置。
2.環(huán)境自適應的RSSI局部定位方法，其特征是采用實時更新的區(qū)域相對應的損耗 因子來計算移動節(jié)點到參考節(jié)點的距離，即，在RSSI局部定位系統(tǒng)中，每個參考節(jié)點在 不同區(qū)域的損耗因子都采用實時測量的值，監(jiān)控軟件中有損耗因子參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù) 庫按照可設定的頻率更新，在定位過程中，采用三個信號強度最大的參考節(jié)點，根據(jù)信 號強度和距離的關系，得出移動節(jié)點的位置。
3.如權利要求2所述環(huán)境自適應的RSSI局部定位方法，其特征是所述信號強度是指 射頻信號強度或者水下聲信號的強度。
4.如權利要求2所述環(huán)境自適應的RSSI局部定位方法，其特征是所述損耗因子是定 時在每四個相鄰參考節(jié)點的中心測量信號強度后計算獲得，然后存放在軟件數(shù)據(jù)庫中。
5.如權利要求2所述環(huán)境自適應的RSSI局部定位方法，其特征是在定位過程中，要 先根據(jù)三個收到移動節(jié)點信號強度最大的參考節(jié)點來判斷移動節(jié)點所屬的區(qū)域，然后利 用該三個參考節(jié)點在該區(qū)域?qū)膿p耗因子分別計算出移動節(jié)點到這三個參考節(jié)點的距 離，最后利用三邊測量法來確定移動節(jié)點的位置。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種環(huán)境自適應的RSSI局部定位系統(tǒng)及方法，基于信號能量強度來定位，信號可以是射頻信號或者是水下聲信號，所述的定位步驟包括在定位過程中，參考節(jié)點實時測量對應各個區(qū)域的參考節(jié)點路徑損耗因子，按照設定的頻率跟新?lián)p耗因子的數(shù)據(jù)庫；在接收到移動節(jié)點的信號時，利用信號最強的3個點來確定移動節(jié)點所在的區(qū)域；利用對應區(qū)域的參考節(jié)點的損耗因子來計算移動節(jié)點到3個參考節(jié)點的距離；利用三邊測量的方法計算出移動節(jié)點的位置。采用這種定位技術的優(yōu)點是，在多變的環(huán)境，例如經(jīng)常有貨物進出的倉庫，可以解決現(xiàn)有RSSI定位技術由于環(huán)境變化引起的精度不高的缺點。
文檔編號H04B17/00GK102014489SQ201010598328
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月21日 優(yōu)先權日2010年12月21日
發(fā)明者萬書芹, 虞致國, 陳子逢, 魏斌, 黃召軍 申請人:中國電子科技集團公司第五十八研究所