复杂环境中基于RSSI模型的环境因子动态标定方法与流程

文档序号:11228048阅读:1060来源:国知局
复杂环境中基于RSSI模型的环境因子动态标定方法与流程

本发明属于通信技术领域,特别涉及一种复杂环境中基于rssi模型的环境因子动态标定方法,可用于商场、办公楼、养老院以及消防场所中人员的定位。



背景技术:

近年来,随着对室内定位技术的研究,逐步发展出现了一系列的室内定位技术,主要包括射频识别技术rfid(radiofrequencyidentification)、无线载波通信技术uwb(ultrawideband)、红外定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、wifi定位技术以及zigbee定位技术等,这些定位技术多采用基于接收信号强度值rssi的算法并结合三边测量法、三角形面积法、质心定位法、加权质心定位法等方式来实现室内定位。基于rssi的测距技术是利用无线电信号随距离增大而有规律地衰减的原理来测量节点间的距离的,rssi反映了接收器接收到的信号强度,其模型为:rssi=a-nlgd,(其中,a为射频参数,由环境和硬件电路自身决定;n为环境参数,大小依赖具体的环境;d为接收点与发射点之间距离),可以看出该信号强度rssi随着接收点与发射点之间距离d的增大而减弱,根据rssi的大小就可以计算出接收点和信号发射点的距离,从而进行室内定位。然而,在实际应用中,由于应用环境复杂多变,不同温度、气压、两点之间是否有阻挡物等均会对计算结果产生不同程度的影响,其计算精度与环境因素息息相关,从而导致测得的信号强度值和理论值存在较大误差,如何在环境改变的情况下标定环境因子,成为能否获得高精度位置信息的关键。

针对应用环境复杂多变这一情况,采用不同的模型和不同的预处理方法会得到不同的定位精度和稳定性。测距精度的高低受到环境参数n与射频参数a实际取值大小的影响较大,目前所使用的技术中,多通过测量路由与终端之间相隔1m时的rssi来确定射频参数a的值,然后再通过改变距离d来计算出环境参数n的取值。这种方法一旦计算出a和n值就不再改动,即使用固定的a和n,并不能保证a、n随着环境的改变而及时改变,而实际应用中的环境变化较大且不可预测,例如突然着火的大楼内,粉尘烟雾会瞬间增加,此时现有方法的定位准确性便会受到严重影响。因此,在随时变化的复杂环境中,该方法计算结果与实际相比偏差较大,定位精确度低;且由于其a、n取值为定值,所以不能很好地适应位置的变化。



技术实现要素:

本发明的目的在于针对以上现有技术的不足,提出一种复杂环境中基于rssi模型的环境因子动态标定方法,以提高室内定位精度。

为达到以上目的,本发明的技术方案包括如下:

(1)布置路由器:

在需要实现定位的环境中,根据需求安放路由器并依次编号,完成室内定位系统的路由布置;

(2)获取路由之间距离:

测量室内定位系统中各路由器两两之间的距离dij,其中i和j为不同路由器对应的编号,即dij为路由器i与路由器j之间的距离,将测得的所有路由器间距值存入数据库中;

(3)接收重置指令:

跟随环境的变化,控制中心随时对定位系统发出更新指示,即重置指令,定位系统在接收到该指令后,执行步骤(4),否则按照初始射频参数a0和初始环境参数n0计算定位信息;

(4)获取当前环境下接收信号强度值:

定位系统在接收到控制中心发来的重置指令后,开始获取当前环境下各路由两两之间的接收信号强度值rssiij,并传输至控制中心;其中i和j为不同路由器对应的编号,即rssiij为路由器i与路由器j之间的接收信号强度值;

(5)更新数据库信息:

控制中心将得到的接收信号强度值rssiij存入数据库中,与数据库中已存入的距离dij形成一个包含两个字段(rssiij,dij)的数据表,对数据库信息进行更新;

(6)求解实时射频参数a和环境参数n:

根据接收信号强度值的计算公式rssi=a-nlgd,令rssi=y,-n=k,lgd=x,a=b得到拟合曲线y(x)=kx+b;再根据最小二乘法及数据库中的数据表信息求解得出k、b,从而得出实时的a、n值,并存入数据库中;

(7)获取定位信息:

测量路由与终端设备之间的接收信号强度值rssiz,结合数据库中的实时a、n值信息,通过下式计算得到路由与终端设备之间的距离:

配合相关算法得出终端的定位信息,并传送给控制中心。

本发明相对现有技术主要优点在于:

第一,提高定位精度:

本发明采用最小二乘法计算接收信号强度指示rssi模型中的射频参数a和环境参数n值,从而达到a、n随环境变化而动态变化的目的,消除了基于rssi定位算法中环境变化对室内定位精度所带来的影响,提高了定位精度;

第二,提高定位系统的适用性:

本发明提供的方法在终端移动到新位置时,控制中心可随时发出重置指令,刷新参数a、n,再根据实时a、n值最终获取定位信息,即能够很好地适应环境的改变,具有很强的灵活性,使定位系统在各种环境中都能稳定的运行,提高了定位系统的适用性。

附图说明

图1为本发明方法的实现流程图;

图2为本发明基于疏散指示灯进行定位的系统示意图;

图3为本发明应用于消防场所的消防员实时定位模拟界面示意图。

具体实施方式

参照图1,本发明的复杂环境中基于rssi模型的环境因子动态标定方法,其具体实现步骤如下:

步骤1,布置路由器:

在需要实现定位的环境中,结合具体建筑物情况,根据需求安放路由器并依次编号,完成室内定位系统的路由布置;例如将经过实际计算、满足国标要求的现有建筑物中疏散指示灯作为路由器,在整个室内环境中进行覆盖,并对每一个作为路由器使用的疏散指示灯给出相应编号;记录定位系统中每一个路由器放置点的具体坐标,并存入数据库。

步骤2,获取路由之间距离:

通过人工直接测量或从建筑物设计图中获取等方式,测量室内定位系统中各路由器两两之间的距离dij,其中i和j为不同路由器对应的编号,即dij为路由器i与路由器j之间的距离,将测得的所有路由器间距值存入数据库中。

步骤3,接收重置指令:

跟随环境的变化,控制中心随时对定位系统发出更新指示,即重置指令,定位系统在接收到该指令后,执行步骤4,否则按照初始射频参数a0和初始环境参数n0计算定位信息;其中,初始射频参数a0通过取接收点与发射点之间的距离d为1m,从而由接收信号强度值rssi的计算公式rssi=a-nlgd解得a0=rssi0;在不同时间,多次测试距离d为1m时两个路由之间的接收信号强度值rssi0,再取该测试结果的平均值,即为初始射频参数a0的值;初始环境参数n0通过测量任意距离dr的两个路由之间的接收信号强度值rssir,再将已经得到的初始射频参数a0代入接收信号强度值rssi的计算公式得:

rssir=a0-n0lgdr,

进一步求解得到n0。

步骤4,获取当前环境下接收信号强度值:

定位系统在接收到控制中心发来的重置指令后,开始获取当前环境下各路由两两之间的接收信号强度值rssiij,其中i和j为不同路由器对应的编号,即rssiij为路由器i与路由器j之间的接收信号强度值;并将该即时获取到的接收信号强度值rssiij传送给控制中心。

步骤5,更新数据库信息:

控制中心将得到的接收信号强度值rssiij存入数据库中,与数据库中已存入的距离dij形成一个包含两个字段(rssiij,dij)的数据表,设该数据表的长度为m,数据表中所含数据的id为取值从0到m的l,用该数据表对数据库中原有的数据表信息进行更新;

步骤6,求解实时射频参数a和环境参数n:

根据接收信号强度值的计算公式rssi=a-nlgd,令rssi=y,-n=k,lgd=x,a=b得到拟合曲线y(x)=kx+b;再根据最小二乘法定义:δ有最小值;其中0≤l≤m,m为步骤(5)中所得数据表的长度,即二维数据组(rssiij,dij)的个数,f(xl)为实际值函数,p(xl)为测量值函数;令即求函数的最小值;对未知量k、b取偏导数并令其等于0,即:

变形得到:

从而可得:

进一步求解得出k和b,由-n=k,a=b最终得出实时射频参数a和环境参数n,将其存入数据库中;

步骤7,获取定位信息:

定位系统对路由器与终端设备之间的接收信号强度值rssiz进行测量,再结合数据库中的实时a、n值信息,通过接收信号强度值rssi的计算公式rssi=a-nlgd,得到路由器与终端设备之间的距离:

配合三边测量法、三角形面积法、质心定位法或加权质心定位等相关算法即可得出终端设备的具体定位信息,将该信息传送给控制中心,从而实现对终端的室内定位。

参照图2,本发明基于疏散指示灯进行定位的系统示意图,并结合消防员居民楼内救火场景的实施例来详细、完整的说明本发明:

步骤a,结合具体建筑物情况,根据现有的cad建筑物草图经过实际计算,满足国标《高层建筑设计防火规范》、《民用建筑电气设计规范》、《建筑设计防火规范》要求,将带有zigbee室内定位装置的疏散指示灯装在距离地面1米以内的高度、疏散指示灯之间间隔小于20米的位置,即完成室内路由器的布置,该路由设备覆盖于整个居民楼各个安通道;记录每个路由器的坐标信息(ei,fi,zi),其中ei、fi是编号为i的路由器所属平面二维坐标信息,zi为该路由器所在楼层信息;开启定位系统,将定位系统与控制中心进行连接,实现信息的传输。

步骤b,直接人工测量路由器i与路由器j之间的实际距离dij,将测得的距离值存入数据库中;获取楼内地图信息,并将所得全部数据存入数据库;在同一栋居民楼内任选一个地方布置两个路由器,将这两个路由器之间的距离设置为1m,此时的rssi即为初始射频参数a0;随后,将这两个路由器之间的距离增大到两米,通过公式可以求解得到初始环境参数n0值,将得到的a0、n0值存入数据库。

步骤c,消防员穿戴定位装置(以下简称终端)进入居民楼,此时,控制中心向定位系统发送重置指令;

步骤d,定位系统在接收到重置指令后,开始计算楼内路由器i与路由器j之间的接收信号强度rssiij,并将得到的数据传送至控制中心;

步骤e,控制中心将得到的接收信号强度值rssiij存入数据库中,与数据库中已存入的距离dij形成一个包含两个字段(rssiij,dij)的数据表,作为最新的数据信息,对数据库中原有数据表信息进行更新;控制中心对数据库中的字段rssiij求平均值,将字段中低于该平均值的rssiij值以及其对应的dij值从库中剔除;

步骤f,控制中心根据接收信号强度值的计算公式rssi=a-nlgd,令rssi=y,-n=k,lgd=x,a=b得到需要拟合的曲线为:y(x)=kx+b;再根据最小二乘法及数据库中的数据表信息求解得出k、b,从而得出实时的a、n值,并存入数据库中;控制中心跟随楼内环境变化,每隔一定时间发送一次重置指令,用于更新数据,获取最新环境下a、n值,保证这两个与定位精度息息相关的参数跟随环境的改变而及时得到修正;

步骤g,消防员在居民楼展开搜救工作,终端接收楼内路由器发送的信号,并将其周边路由器z与终端之间的接收信号强度rssiz发送给控制中心,控制中心通过公式计算终端与路由器之间的距离dz,再结合三边定位算法求解终端的坐标信息,最后通过查询数据库中的建筑地图信息确定出终端位置,即佩戴该终端进入楼内消防员所处位置;最后,控制中心得出该消防场所内消防员在模拟界面中的实时位置,如图3;定位完成。

以上描述仅是本发明的一个具体实例,不构成对本发明的任何限制,显然对于本领域的专业人员来说,在了解本发明内容和原理后,都可能在不背离本发明原理、结构的情况下,进行形式和细节上的各种修正和改变,但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

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