CN105517149A - 一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法和*** - Google Patents

一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法和***，其中该方法包括定位装置发送Zigbee网络联入申请信号；定位参考装置接收联入申请信号，返回准入信号；定位装置确认准入信号，并发射测距信号；定位参考装置接收到测量距离的信号，返回定位信号；定位装置计算位置坐标。该***包括定位启动模块，定位装置发送Zigbee网络联入申请信号；定位参考模块，接收联入申请，返回准入信号；定位发射模块，确认准入信号，发射测距信号；定位参考处理模块，接收到测距信号，返回定位信号；定位处理模块，接收定位信号并计算位置坐标。本发明使用Zigbee技术作为通信手段，基于RSSI值来计算距离，采用合理的优化方法和修正措施，显著提高定位的精度。

Description

一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法和***
技术领域
本发明涉及一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法和***，属于定位测量领域。
背景技术
随着一些诸如会展中心，室外活动场所的发展，人员在大型场合运动的时候，可以根据人员的位置情况，提供必要的指引和服务。比如在游客游览景点时，可通过对游客进行定位，向游客提供对应景点的资讯服务。再比如在展览会上，通过手持定位设备可获知参展者的位置，以提供与其位置相应的展台的相关信息，可供参展者参考，也可提供更生动、更全面、更立体的资讯信息。另外，还可以通过建立基于定位的交互***和用户交流平台，使设备使用者可以和相应的资讯点进行互动交流，或者与其他同时在使用该设备的用户进行交流。像这样的技术服务，可称为资讯供应与交互***，即通过获取使用者的位置信息，提供相应的资讯服务，以提高用户体验和资讯服务质量。现有定位技术中，例如GPS***等定位***，存在免费用户精度较低，付费用户成本较高，多层场所高度定位缺陷等问题。
ZigBee技术作为一种新兴的短距离无线通信技术，由于它低成本、低功耗、低复杂性等优越性。Zigbee的协议简单，对硬件的要求比蓝牙、UWB、Wifi都要小，传输速率适中，正好适合数据量小的定位应用。Zigbee的定位精度高、低成本、低功耗、结构简单、易维护、具备自组网能力，特别适用于多节点的无线定位***。而目前，通过提高Zigbee定位精度的方法主要是通过增加定位节点以及优化节点布局。
增加定位节点势必会增加硬件成本、算法复杂度以及维护成本。而优化节点布局则会受到具体环境条件的限制，优化成本高，优化程度有限。
发明内容
本发明使用的是三边定位的方法，在一个二维坐标***中,需要用到三个参考点的距离才能唯一确定一个点的坐标。实际操作中，由于Zigbee信号干扰，接收机和发射机的误差等因素，会对定位精度产生影响。为了克服上述问题，本发明在使用三边定位的方法的基础上，优化了算法，以达到提高精度的目标。
针对现有技术存在的问题，提出了本发明的技术方案。
本发明一方面提供一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，包括以下步骤：定位装置发送Zigbee网络联入申请信号，Zigbee网络联入申请信号包括定位装置ID和联网指令；定位参考装置接收定位装置的Zigbee网络联入申请信号，并返回Zigbee网络准入信号；定位装置确认Zigbee网络准入信号，并发射用于测量距离的测距信号；定位参考装置接收到测距信号之后，记录信号强度值(RSSI值)并返回定位信号；定位装置接收定位信号并启动定位模块计算自己的位置坐标。
优选地，信号的通信过程使用Zigbee技术。
优选地，Zigbee网络包括：定位参考装置组，由数个定位参考装置组成，其中，定位参考装置用于提供自身的位置坐标信息并测量定位装置发射的测距信号的信号强度值(RSSI值)；定位修正装置组，由数个定位修正装置组成，其中，定位修正装置用于发射测距信号、接收定位参考装置返回的定位信号并启动定位模块计算自己的位置坐标。
优选地，定位信号包括定位参考装置测量到的信号强度值(RSSI值)和定位参考装置的位置坐标信息。
优选地，定位模块在计算自己与定位参考装置的距离之前，还包括加载参数文件，参数文件包括定位参考装置和定位修正装置的位置坐标的信息，信号强度值(RSSI值)与定位参考装置的距离关系表和位置算法。
优选地，所述的位置算法：设定定位装置的位置坐标为(x0,y0)；三个定位参考装置的位置坐标为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)；由所述信号强度值(RSSI值)与定位参考装置的距离关系表得到的定位装置到三个定位参考装置的距离d1,d2,d3；定位参考装置和定位装置的位置关系为：
(x1-x0)2+(y1-y0)2＝d12；
(x2-x0)2+(y2-y0)2＝d22；
(x3-x0)2+(y3-y0)2＝d32。
优选地，定位模块计算自己的位置坐标包括以下步骤：
A、从接收到的信号强度值(RSSI值)中选取数值最大的三个，记录其所代表的定位参考装置的位置坐标；
B、根据参数文件的距离关系表和位置算法，求出定位装置的初始位置坐标；
C、进行定位装置的初始位置坐标误差修正，求出位置坐标。
优选地，步骤B还包括信号强度值(RSSI值)的优化：在5秒钟内通过重复采样，对采样的信号强度值(RSSI值)求平均值，算出平均值的位置坐标(X4,Y4)；在5秒钟内通过重复采样，对采样的信号强度值(RSSI值)进行位置计算，根据正态分布原理剔除误差较大的点后计算位置坐标的平均值(X5,Y5)；求以上两步的平均值，即初始位置坐标为X＝(X5+X4)/2，Y＝(Y4+Y5)/2。
优选地，步骤C通过以下方法实现：根据已得出的初始位置坐标，选取一个位置临近的定位修正装置，使其发射测距信号，并接收周围定位参考装置返回的定位信号；定位修正装置解析返回的定位信号，通过定位模块计算出位置坐标；将定位模块计算出的位置坐标和定位修正装置的实际坐标比较，得到位置坐标误差量；初始位置坐标与位置坐标误差量相加，得到位置坐标，即修正过的定位装置的位置坐标。
本发明的另一方面，提供一种基于RSSI和Zigbee技术的定位***，其特征在于，包括：
定位启动模块，配置为使定位装置发送Zigbee网络联入申请信号，Zigbee网络联入申请信号包括定位装置ID和联网指令；
定位参考模块，配置为使定位参考装置接收定位装置的Zigbee网络联入申请信号，并返回Zigbee网络准入信号；
定位发射模块，配置为使定位装置确认Zigbee网络准入信号，并发射用于测量距离的测距信号；
定位参考处理模块，配置为使定位参考装置接收到测距信号之后，记录信号强度值(RSSI值)并返回定位信号；
定位处理模块，配置为使定位装置接收定位信号并启动定位模块计算自己的位置坐标。本发明的有益效果为：使用低成本、低功耗、低复杂性Zigbee技术作为通信手段，基于信号强度值(RSSI值)来计算距离，采用合理的优化方法和修正措施，显著提高定位的精度。
附图说明
图1所示为根据本发明第一实施例的Zigbee网络；
图2所示为根据本发明第二实施例的信号强度值(RSSI值)的优化；
图3所示为根据本发明第二实施例的定位装置的位置坐标误差修正方法；
图4所示为根据本发明第三实施例的一种资讯供应与交互***的Zigbee定位过程。
具体实施方式
RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)是在已知发射节点的发射信号强的前提下，利用传播距离和信号强度成反比，即一一对应的性质，通过得知接收信号的强度，利用模型计算出发射节点和接收节点的距离。在本例中，发射节点便是资讯获得者，也就是游客或者参展者或者游览者，接收节点就是定位参考装置。
根据本发明的第一实施例，为一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，包括以下步骤：定位装置发送Zigbee网络联入申请信号，Zigbee网络联入申请信号包括定位装置ID和联网指令；定位参考装置接收定位装置的Zigbee网络联入申请信号，并返回Zigbee网络准入信号；定位装置确认Zigbee网络准入信号，并发射用于测量距离的测距信号；定位参考装置接收到用于测量距离的测距信号之后，记录信号强度值(RSSI值)并返回定位信号；定位装置接收定位信号并启动定位模块计算自己的位置坐标。
其中装置之间传递信号的通信过程，是基于Zigbee技术来实现的。
如图1所示，所述Zigbee网络包括：
定位参考装置组，由数个定位参考装置组成，散布在需要定位的区域，其中，定位参考装置用于提供自身的位置坐标信息并测量定位装置发射的用于测量距离的测距信号的信号强度值(RSSI值)；
定位修正装置组，由数个定位修正装置组成，散布在需要定位的区域，其中，定位修正装置用于发射用于测量距离的测距信号、接收定位参考装置返回的定位信号并启动定位模块计算自己的位置坐标。其中，定位信号包括测量到的信号强度值(RSSI值)和定位参考装置的位置坐标信息，位置坐标信息是在部署完定位参考装置和定位修正装置后通过实际测量确定的位置信息，实际测量的位置信息起到坐标基准的作用。
定位模块在计算自己与定位参考装置的距离之前，还包括加载参数文件，参数文件包括定位参考装置和定位修正装置的位置坐标的信息，信号强度值(RSSI值)与定位参考装置的距离关系表和位置算法。
其中距离关系表即以定位参考装置为中心，不同距离条件下，RSSI信号的大小的一个关系表，为Zigbee网络建立的时候，实地测量的结果。
其中的位置算法：即三边定位方法，设定定位装置的位置坐标为(x0,y0)；三个参考装置的位置坐标为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)；由所述信号强度值(RSSI值)与定位参考装置的距离关系表得到的定位装置的位置坐标(x0,y0)到三个参考装置的距离d1,d2,d3；
参考装置和定位装置的位置关系为：
(x1-x0)2+(y1-y0)2＝d12；
(x2-x0)2+(y2-y0)2＝d22；
(x3-x0)2+(y3-y0)2＝d32。
定位模块计算自己的位置坐标包括以下步骤：
A、从接收到的信号强度值(RSSI值)中选取数值最大的三个，记录其所代表的定位参考装置的位置坐标；定位模块周围会存在若干的定位参考装置，它们在接收到定位装置发出的信号后，会记录信号强度值(RSSI值)，并返回定位信号，定位装置接收到定位信号之后，只需提取其中数值最大的三个信号，就可以进行三边定位的运算。
B、根据参数文件的距离关系表和位置算法，求出定位装置的初始位置坐标；初始位置坐标由上述三边定位方法算出。
C、定位装置的初始位置坐标误差修正，求出位置坐标，由于Zigbee技术的能力以及定位装置、定位参考装置精度等影响，需要再通过修正来提高测量精度。
根据本发明的第二实施例，如图2所示，所述求出定位装置的初始位置坐标，还包括信号强度值(RSSI值)的优化：
定位装置在5秒钟内通过重复定位过程进行采样，对采样的信号强度值(RSSI值)求平均值，算出平均值的位置坐标(X4,Y4)；定位装置在5秒钟内通过重复定位过程进行采样，对采样的信号强度值(RSSI值)进行位置计算，根据正态分布原理剔除误差较大的点后计算位置坐标的平均值(X5,Y5)；求以上两步的平均值，即初始位置坐标为X＝(X5+X4)/2，Y＝(Y4+Y5)/2。通过抽样取平均值的方法，提高精度。
如图3所示，所述定位装置的位置坐标误差修正通过以下方法实现：
根据已得出的初始位置坐标，定位装置或定位参考装置根据参数文件选取一个位置临近定位装置的定位修正装置，使其发射测距信号，并接收周围定位参考装置返回的定位信号；定位修正装置解析返回的定位信号，为了提高精度，将之前用于三边定位的三个定位参考装置的定位信号提取出来，通过定位模块计算出定位修正装置的位置坐标；将定位模块计算出的定位修正装置的位置坐标和实际实地测量出来的坐标比较，得到位置坐标误差量；初始位置坐标与位置坐标误差量相加，得到位置坐标，即修正过的定位装置的位置坐标。
根据本发明的第三实施例，如图4所示一种资讯供应与交互***的Zigbee定位过程，包括：
1、前期准备和入网。首先，根据现场需要部署好一定密度和分布方式的定位参考装置，并把相应的环境参数如装置的位置坐标、所在区域、区域代号等写入每台定位参考装置中。当手持定位装置的使用者进入到某个区域后，定位装置会自动与定位参考装置进行组网，定位装置联入Zigbee网络，在联入网时，定位装置选择信号最好的路由节点(通常是离定位装置最近的定位参考装置)。
2、信号发送和返回。定位装置接入到Zigbee网络后，将会发送一定强度的用于测量距离的信号，与定位装置相邻的定位参考装置接收到测量信号之后，将会记录信号强度值(RSSI值)，然后将测试信号强度值和自己的位置坐标一并发送给定位装置。
3、环境参数获取。定位装置同时还会向自己的Zigbee路由节点请求获取用于计算RSSI距离的环境参数，这些环境参数是提前对具体环境进行测试，并计算出的数据，然后通过远端服务器，用程序把环境参数写到对应的定位参考装置上去，以供定位装置和差分定位装置(即修正定位的装置)查询。
4、将信号强度转换为距离。根据RSSI值、定位参考装置位置坐标、环境参数，定位装置通过启动自己的RSSI定位引擎计算出自己与每个有效定位参考装置之间的距离，接下来，确定坐标。定位装置根据三边测量定位法，计算出自己在有效定位参考装置构成的坐标参考系中的坐标。接着定位装置将计算出的坐标发送给距离最近的定位参考装置(RSSI返回值最大的定位参考装置)。
5、最后，确定定位装置所处区域。该定位参考装置根据定位装置坐标确定定位装置的所处区域，然后把定位装置所处区域的ID通过Zigbee网络发送给服务器，服务器将通过无线方式(Zigbee、Wifi或者GPRS网络)对定位装置提供相应的服务。
根据本发明的四实施例，为一种基于RSSI和Zigbee技术的定位***，包括：
定位启动模块，配置为使定位装置发送Zigbee网络联入申请信号，Zigbee网络联入申请信号包括定位装置ID和联网指令；
定位参考模块，配置为使定位参考装置接收定位装置的Zigbee网络联入申请，返回Zigbee网络准入信号；
定位发射模块，配置为使定位装置确认Zigbee网络准入信号，并发射用于测量距离的测距信号；
定位参考处理模块，配置为使定位参考装置接收到测量距离的信号之后，记录信号强度值(RSSI值)并返回定位信号；
定位处理模块，配置为使定位装置接收定位信号并启动定位模块计算自己的位置坐标。
从上述的实施例可以看出本发明的技术方案相对于现有技术的的具体优点：通过RSSI值平均与剔除极端值后的坐标值平均相结合的定位精度优化方案和差分定位装置修正两个方法，优化定位算法，从根本上提高了定位***的精度和稳定性。开发的工作量小，优化时所带来的副作用小，适用性广，效果好，硬件成本低。另外，通过合理分配任务，优化了定位的处理过程，减轻了服务器端的工作量，有效地增大了定位***的最大容量并提高了其稳定性。
本发明从算法优化和策略优化两方面优化了定位***的定位精度、稳定性和同一时间可接受的定位装置数量。本发明的硬件成本为0，易移植，适用于范围大、规模大的Zigbee资讯供应与交互***。另外，差分定位装置修正的方法不但可以应用于使用Zigbee技术定位的场景中，还可以适用于用其他定位技术的定位***中，适用范围广。
更具体地：1、定位装置在确定自身坐标时，通过对原数据(RSSI)的平均以及对直接(不对原数据进行处理)计算出的坐标值进行坏点剔除处理结合的方式，较好地兼顾了原数据误差和处理数据误差的处理；2、引入差分定位装置，可针对具体的环境误差和短期误差进行较好的优化，优化效果好；3、优化定位过程中的任务分配，提高***稳定性和增大***容量。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，包括：
定位装置发送Zigbee网络联入申请信号，Zigbee网络联入申请信号包括定位装置ID和联网指令；
定位参考装置接收定位装置的Zigbee网络联入申请信号，并返回Zigbee网络准入信号；
定位装置确认Zigbee网络准入信号，并发射用于测量距离的测距信号；
定位参考装置接收到测距信号之后，记录信号强度值(RSSI值)并返回定位信号；
定位装置接收定位信号并启动定位模块计算自己的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，其特征在于，所述信号的通信过程使用Zigbee技术。
3.根据权利要求1所述的一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，其特征在于，所述的Zigbee网络包括：
定位参考装置组，由数个定位参考装置组成，其中，定位参考装置用于提供自身的位置坐标信息并测量定位装置发射的测距信号的信号强度值(RSSI值)；
定位修正装置组，由数个定位修正装置组成，其中，定位修正装置用于发射测距信号、接收定位参考装置返回的定位信号并启动定位模块计算自己的位置坐标。
4.根据权利要求1所述的一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，其特征在于，所述的定位信号包括定位参考装置测量到的信号强度值(RSSI值)和定位参考装置的位置坐标信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，其特征在于，所述的定位模块在计算自己与定位参考装置的距离之前，还包括加载参数文件，参数文件包括定位参考装置和定位修正装置的位置坐标的信息，信号强度值(RSSI值)与定位参考装置的距离关系表和位置算法。
6.根据权利要求5所述的一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，其特征在于，所述的位置算法：
设定定位装置的位置坐标为(x0,y0)；
三个定位参考装置的位置坐标为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)；
由所述信号强度值(RSSI值)与定位参考装置的距离关系表得到的定位装置到三个定位参考装置的距离d1,d2,d3；
定位参考装置和定位装置的位置关系为：
(x1-x0)2+(y1-y0)2＝d12；
(x2-x0)2+(y2-y0)2＝d22；
(x3-x0)2+(y3-y0)2＝d32。
7.根据权利要求1所述的一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，其特征在于，所述的定位模块计算自己的位置坐标包括以下步骤：
A、从接收到的信号强度值(RSSI值)中选取数值最大的三个，记录其所代表的定位参考装置的位置坐标；
B、根据参数文件的距离关系表和位置算法，求出定位装置的初始位置坐标；
C、进行定位装置的初始位置坐标误差修正，求出位置坐标。
8.根据权利要求7所述的一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，其特征在于，所述步骤B还包括信号强度值(RSSI值)的优化：
在5秒钟内通过重复采样，对采样的信号强度值(RSSI值)求平均值，算出平均值的位置坐标(X4,Y4)；
在5秒钟内通过重复采样，对采样的信号强度值(RSSI值)进行位置计算，根据正态分布原理剔除误差较大的点后计算位置坐标的平均值(X5,Y5)；
求以上两步的平均值，即初始位置坐标为X＝(X5+X4)/2，Y＝(Y4+Y5)/2。
9.根据权利要求7所述的一种基于RSSI和Zigbee技术的定位方法，其特征在于，所述步骤C通过以下方法实现：
根据已得出的初始位置坐标，选取一个位置临近的定位修正装置，使其发射测距信号，并接收周围定位参考装置返回的定位信号；
定位修正装置解析返回的定位信号，通过定位模块计算出位置坐标；
将定位模块计算出的位置坐标和定位修正装置的实际坐标比较，得到位置坐标误差量；
初始位置坐标与位置坐标误差量相加，得到位置坐标，即修正过的定位装置的位置坐标。
10.一种基于RSSI和Zigbee技术的定位***，其特征在于，包括：
定位启动模块，配置为使定位装置发送Zigbee网络联入申请信号，Zigbee网络联入申请信号包括定位装置ID和联网指令；
定位参考模块，配置为使定位参考装置接收定位装置的Zigbee网络联入申请信号，并返回Zigbee网络准入信号；
定位发射模块，配置为使定位装置确认Zigbee网络准入信号，并发射用于测量距离的测距信号；
定位参考处理模块，配置为使定位参考装置接收到测距信号之后，记录信号强度值(RSSI值)并返回定位信号；
定位处理模块，配置为使定位装置接收定位信号并启动定位模块计算自己的位置坐标。
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