CN103002463A - 一种zigbee室内定位组网设计及相应简化方法 - Google Patents

Abstract

一种zigbee室内定位组网设计及相应简化方法属于物联网领域。本发明确定实际应用中以边长为6.5到7.5米区域内为最佳组网间距，选择常规的等腰或等边三角形进行组网，通过抵消估算得到数值参数A。使得研究过程得到简化。有利于提出相应的研究模型，通过三点之间的比例关系和坐标值，还原得到的只与参数n有关的数值关系，在组网规划下，可以获得有效的定位数据。本发明使定位过程不再受A,n两个参数同时干扰，转而只需要考虑消参后获得与参数n相关函数关系及与相应关系下的已知参考点坐标。从而计算出相应的坐标值，到达定位目的。本发明科学设定了组网密度，及组网规划，为科学实验的进行和应用成本的降低提供了分析基础。

Description

一种zigbee室内定位组网设计及相应简化方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位过程中的组网规划及相应简化算法过程。组网规划与算法设计相结合，通过合理分析设计，在组网适用范围内。将传统的受环境变化影响较大的参数A和n转化为只想要考虑n的变化特点，即可以获得相应定位数据。在定位思想上他是一个重大突破。(A值为距离发射机1m远的RSSI绝对值；n值为距离发射机每增加1m衰减的RSSI绝对值。)

背景技术

物联网的发展和室内定位的市场需求，使室内定位的相关研究得到发展，传统的思想认为组网规划越密集，其获得的定位精度越高。其实不然，现有的相当一部分算法涉及到的三点质心算法，在一些随意的参考节点规划中，其组网获得的信号强度值无法满足三点质心算法而产生定位消失和漂移，图示1为比较常见的案例。另外大量的科研工作者将精力应用在对2.4GHZ频段信号的传输特性和响应的滤波算法及神经网络算法研究。滤波算法及神经网络研究在理论分析和仿真设计中往往得到比较好的效果。然而实际应用中，非理想的局部环境对信号的干扰，物体移动对信号强度获取造成的影响，都是客观实际的，很难通过理想环境下的理论研究去解决的问题。

发明内容

本发明要解决的问题是：室内定位作为前沿的物联网分支，其相关研究在理论和仿真分析过程中得到了比较理想的结果，然而实际应用过程并不具备理想的环境，其信号干扰和物体移动造成的影响，对室内定位的实际应用来说，存在着不可忽视的影响。另外采用参数A和n的定位模型，对相关数据同时进行滤波分析处理其科学性能和理论研究目前处在瓶颈阶段。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：对实际组网的组网间距进行设定。通过方案比较，设计实现在相同的室内范围内，其所需要的组网节点数量最小，信号强度的反应取值最科学，同时也能使使用成本最低。通过对物体移动分析，及信号强度在相对范围内的变化特性。通过确定三点之间的关系，利用指数特性，抵消参数A在计算过程的存在，利用三点之间的比值关系及三点坐标还原三点质心算法，获得定位数据。

一种zigbee室内定位组网设计及相应简化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)确定实际应用中以边长为6.5到7.5米区域内为最佳组网间距，选择常规的等腰，等边三角形进行组网。

2)通过分析，假设t1时刻随机干扰为L_t1，平稳干扰为K_t1，则t1时刻接收到的信号强度为：

RSSI=-A-10nlogd+L_t1+K_t1   式1)，其中A值为距离发射机1m远的RSSI绝对值；n值为距离发射机每增加1m衰减的RSSI绝对值。

3)由于组网设计过程规定了组网间距为7米，且在这一间距的活动区域内，认为获得得最近的三个参考节点，其受到的干扰为相近的。那么三角形三个顶点实际接收到的信号强度指示分别为：

RSSI₁=-A-10nlogd₁+L_t1+K_t1     式2)

RSSI₂=-A-10nlogd₂+L_t1+K_t1     式3)

RSSI₃=-A-10nlogd₃+L_t1+K_t1     式4)

4)由以上公式看出信号强度值与距离d的数值关系，将公式内容进行转换得：

d₁＝10^(RSSI ₁ ^+A-L _t1 ^-K _t1 ^)/10n............................式5)

d₂＝10^(RSSI ₂ ^+A-L _t1 ^-K _t1 ^)/10n............................式6)

d₃＝10^(RSSI ₃ ^+A-L _t1 ^-K _t1 ^)/10n............................式7)

5)由d的公式发现，都存在随机干扰和平稳干扰项，而d与这两项干扰存在指数关系，通过相除求比值关系化简。

d₁:d₂:d₃=10^RSSI ₁ ^/10n:10^RSSI ₂ ^/10n:10^RSSI ₃ ^/10n.............式8)

为了方便消除随机干扰和平稳干扰对盲节点到参考节点数据的干扰，实际上丢失了相应的信号强度指示值，为了计算出定位坐标，需要通过现有的数值比例和参数，重新拟定更接近实际的定位坐标。即通过***RSSI不同参考节点的坐标值。参考节点ABC与相应的d₁,d₂,d₃的比例之间的关系，如图4所示。

6)由比值关系，已知参考点坐标(x₁,y₁)(x₂,y₂)(x₃,y₃)

计算出节点位置信息(x,y)。

进一步该方法步骤1)确定实际应用中选择等腰直角三角形进行组网。

从计算步骤工程，不难看出该方法的理论和实际应用仍旧以三角质心算法为基础，为了避免出现定位缺失或者漂移现象，以及纠正传统的节点密度越高，定位效果越好的错误观点。需要对组网间距及组网方式进行科学界定。

按照理论研究与实际经验总结，组网设计包含以下两个部分。

1)合理的间距设计。在相关理论资料中，基于信号强度的定位算法其信号强度值在8米距离时，其变化规律会有比较大的转变，而在实际实验过程中，距离在6.5到7.5之间，可以确定是移动物体移动与信号强度变化的临界范围。所以取6.5到7.5m间距组委组网间距是合理的间距设定。

2)科学的组网规划。组网规划要实现的是用最少的节点实现最大面积的建筑区域网络覆盖，传统的节点分布随意而不科学，对成本问题缺少考虑，对漂移和缺失的意外现象缺乏科学的解释。对等边三角形，等腰直角三角形及相关三角形，从易于实现区域面积覆盖出发，以参考间距为依托，实现用最少的节点实现定位区域的全网覆盖。通过图示比较及现场布网实际，等腰直角三角形组网方式，具有可选参考节点组优于其他方式组合，组网节点利用率高，等面积组网成本最低的优势。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：科学设定了组网密度，及组网规划，为科学实验的进行和应用成本的降低提供了分析基础。通过抵消估算得到数值参数A。使得研究过程得到简化。有利于提出相应的研究模型，通过三点之间的比例关系和坐标值，还原得到的只与参数n有关的数值关系，在组网规划下，可以获得有效的定位数据。

附图说明

图1.三角质心算法中定位缺失或漂移示例

图2.等边三角形组网分布图

图3.等腰直角三角形组网分布图

图4.参考节点ABC与相应的d1,d2,d3的之间关系

具体实施方式

按照理论研究指导，2.4G网路在8米左右受环境影响变化规律将出现比较大地变化规律曲线，结合实际实验室室内环境和停车场室内环境，确定实际应用中以边长为6.5到7.5米区域内为最佳组网间距，通过对室内环境分析，选择常规的等腰，等边等规则图形进行组网分析，可以实现全网覆盖，另外以等腰三角形为组网分布不仅可以实现覆盖有效较高，也可以解决三角质心算法不能进行问题，与此同时在运动过程之中可以实现多组参考节点的均匀分布。因此设定以6.5到7.5米范围内取适当间距的等腰直角三角形进行组网。

组网原则及思想为：

一，定位区域全覆盖的同时，成本最低。

二，满足参考节点选取始终适合三角形质心算法及其改进算法。

三，通过布网设计，力图打破传统定位设计主定位基本只存在一组参考节点，希望能获取多组符合质心算法的参考节点信息，便于计算盲节点位置。

等边三角形及等腰直角三角形组网比较如图示2，3。

等腰直角三角形的当处于定位移动区域时：三角形ABC,ABD,ADC,CDB都很可能作为参考节点组，局部范围多了一个共用参考节点，另外以三列为例，等腰直角由于其直角区域与建筑规划相符，所以比等边三角形节省一个参考节点。

定位方法设计：

由于限定了使用距离是定位达到理想结果，通过分析室内环境，传统的

基于信号强度指示的定位，其距离d和信号强度变化RSSI经过简化有如式一所示关系：

RSSI=-A-10nlogd

实际获得RSSI值时，存在平稳干扰和随机干扰部分。对这两大干扰进行滤波设计，使RSSI值接近无干扰条件下的理想值，是研究重点。

在组网设计时，试图寻找更佳的滤波算法，使定位精度提高，在确定组网模型之后，通过分析之前的滤波设计仅对一路信号进行分析处理，近似的认为选取的三个节点之间在同一时刻在局部范围内所受到的干扰为相近的，且盲节点与三个参考节点之间存在着潜在的数值关系。

此方法实现过程为：

1)假设t1时刻随机干扰为Lt1，平稳干扰为Kt1，则t1时刻接收到的信号强度为：

RSSI=-A-10nlogd+L_t1+K_t1    式1)

2)由于组网设计过程规定了组网间距为7米，且在这一间距的活动区域内，可以认为获得得最近的三个参考节点，其受到的干扰为相近的。那么三角形三个顶点实际接收到的信号强度指示分别为：

RSSI₁=-A-10nlogd₁+L_t1+K_t1    式2)

RSSI₂=-A-10nlogd₂+L_t1+K_t1    式3)

RSSI₃=-A-10nlogd₃+L_t1+K_t1    式4)

3)由以上公式可以看出信号强度值与距离d的数值关系，将公式内容进行转换得：

d₁=10^(RSSI ₁ ^+A-L _t1 ^-K _t1 ^)/10n............................式5)

d₂=10^(RSSI ₂ ^+A-L _t1 ^-K _t1 ^)/10n............................式6)

d₃=10^(RSSI ₃ ^+A-L _t1 ^-K _t1 ^)/10n............................式7)

4)由d的公式发现，都存在随机干扰和平稳干扰项，而d与这两项干扰存在指数关系，所以想到通过相除求比值关系化简。

d₁:d₂:d₃=10^RSSI ₁ ^/10n:10^RSSI ₂ ^/10n:10^RSSI ₃ ^/10n.............式8)

在比值关系中，可以推算d1与d2的比值关系与RSSI₁和RSSI₂中的A值没有对应关系，也就是说，在计算过程中取A值为距离发射机1m远的RSSI绝对值这个拟定的不一定合理的数值被剔除。其比值关系只与n值即距离发射机每增加1m衰减的RSSI绝对值有关。同理d2,d3；d1,d3也是如此。

为了方便消除随机干扰和平稳干扰对盲节点到参考节点数据的干扰，实际上丢失了相应的信号强度指示值，为了计算出定位坐标，需要通过现有的数值比例和参数，重新拟定更接近实际的定位坐标。即通过***RSSI不同参考节点的坐标值。参考节点ABC与相应的d1,d2,d3的比例之间的关系，如图4所示。

5)由比值关系及

可以计算出节点位置信息(x，y)。

Claims (2)

1.一种zigbee室内定位组网设计及相应简化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)确定实际应用中以边长为6.5到7.5米区域内为最佳组网间距，选择常规的等腰或等边三角形进行组网，

2)通过分析，假设t1时刻随机干扰为L_t1，平稳干扰为K_t1，则t1时刻接收到的信号强度为：

RSSI=-A-10nlogd+L_t1+K_t1    式1)，其中A值为距离发射机1m远的RSSI绝对值；n值为距离发射机每增加1m衰减的RSSI绝对值；

3)三角形三个顶点实际接收到的信号强度指示分别为：

RSSI₁=-A-10nlogd₁+L_t1+K_t1    式2)

RSSI₂=-A-10nlogd₂+L_t1+K_t1    式3)

RSSI₃=-A-10nlogd₃+L_t1+K_t1    式4)

4)由以上公式看出信号强度值与距离d的数值关系，将公式内容进行转换得：

d₁＝10^(RSSI ₁ ^+A-L _t1 ^-K _t1 ^)/10n............................式5)

d₂＝^10(RSSI ₂ ^+A-L _t1 ^-K _t1 ^)/10n............................式6)

d₃=10^(RSSI ₃ ^+A-L _t1 ^-K _t1 ^)/10n............................式7)

5)由d的公式发现，都存在随机干扰和平稳干扰项，而d与这两项干扰存在指数关系，通过相除求比值关系化简；

d₁:d₂:d₃=10^RSSI ₁ ^/10n:10^RSSI ₂ ^/10n:10^RSSI ₃ ^/10n.............式8)

6)由比值关系，已知参考点坐标(x₁,y₁)(x₂,y₂)(x₃,y₃)计算出节点位置信息(x,y)；

2.应用权利要求1中的一种zigbee室内定位组网设计及相应简化方法，其特征在于该方法步骤1)确定实际应用中选择等腰直角三角形进行组网。

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