专利名称：环境自适应的rssi局部定位系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于信号能量强度定位的方法，尤其是一种环境自适应的RSSI 局部定位系统及方法。
背景技术：
局部定位技术按照原理可以分为三类基于时间的定位技术、基于信号强度 (RSSI，接收信号强度指示)的定位技术、基于信号角度(AOA)的定位技术，基于时间的 定位技术可分为到达时间(TOA)和到达时间差(TDOA)。TOA需要参考节点之间精确的 时间同步；TDOA受限于过短的超短波传输距离和环境的通视性；AOA需要额外的硬件 支持。RSSI定位系统的硬件组成如图1所示，包括(1) 2个或者以上的参考节点， 每个节点都有无线接收和发送的功能，而且这些节点的位置都是固定而且已知的。(2) 待定位的移动节点，其传输协议和参考节点相同，但只具有无线发射功能。(3) —个网 关/基站节点，用于接收参考节点收到的移动节点的RSSI信息，通过软件计算得出移动 节点的位置。RSSI定位技术成本低，定位精度可以满足大部分的应用，而且它不需要额外的 硬件支持，利用参考节点和移动节点最基本的发射和接收就可以实现定位。但是，现有 技术中由于各个节点的接收器和天线的性能不一致性，环境因素等多重影响使得RSSI定 位系统的精度有限。局部定位技术对于工业安全监控，例如煤矿安全等问题具有重要意义，当然其 应用领域不局限于此，用在工业流水线上，能够提高流水线的效率。以煤矿井下工作安 全为例，一旦发生事故，如何快速、准确的找到人员所在的位置，对于救助工作有极大 的帮助。利用无线传感器网络技术，可以在监测环境中预先布置好若干固定位置的参考 节点，并且利用这些节点来接收人员携带的节点发出的信号，进而通过一定的算法来确 定人员的位置。
发明内容
本发明主要克服了现有技术在定位精度上的不足，特别是对于随着时间变化较 大的环境，提供一种环境自适应的RSSI局部定位系统及方法，采用实时获得的损耗因子 来计算距离。按照本发明提供的技术方案，所述环境自适应的RSSI局部定位系统包括不少于 4个参考节点，每个参考节点具有无线接收和发射功能，相互之间能够通过协议通信，参 考节点的接收天线为各向同性，参考节点的位置是已知的；待测的一个或多个移动节点 具有无线发射功能，发射频率、通信协议和参考节点一致，移动节点的发射天线为各向 同性；还包括至少一个基站，用于收集各个参考节点发送过来的移动节点的RSSI信息， 然后用前期测量的存放在数据库中的损耗因子计算出移动节点到各个参考节点的距离， 从而计算出移动节点位置。
所述环境自适应的RSSI局部定位方法是采用实时更新的区域相对应的损耗因 子来计算移动节点到参考节点的距离，即，在RSSI局部定位系统中，每个参考节点在不 同区域的损耗因子都采用实时测量的值，监控软件中有损耗因子参数的数据库，数据库 按照可设定的频率更新，在定位过程中，采用三个信号强度最大的参考节点，根据信号 强度和距离的关系，得出移动节点的位置。所述信号强度是指射频信号强度或者水下声信号的强度。所述损耗因子是定时在每四个相邻参考节点的中心测量信号强度后计算获得， 然后存放在软件数据库中。在定位过程中，要先根据三个收到移动节点信号强度最大的参考节点来判断移 动节点所属的区域，然后利用该三个参考节点在该区域对应的损耗因子分别计算出移动 节点到这三个参考节点的距离，最后利用三边测量法来确定移动节点的位置。本发明的优点是
1.实现方便本发明提出的方法采用参考节点和移动节点的收发就可以直接完成。2.提高精度可以消减监测区域环境不均一以及时变等特性带来的误差，把屏 蔽等各种因素以损耗因子的形式存放在测距的数据库中并且不断更新，有效提高定位和 跟踪的精度。3.适用范围广本发明不受陆地和水下环境的影响，可以在工业环境、民用环 境、军事领域广泛应用。
图1是定位系统组成示意图。图2是定位系统的实时损耗因子测量示意图。图3是定位系统算法流程图。图4是定位系统工作示例。图5是定位系统对环境因素的校正作用示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明在RSSI定位系统中， 采用实时更新的区域相对应的损耗因子来计算移动节点到参考节点的距离，使得环境因 素能够体现在实时的损耗因子计算中，提高定位精度。所述的采用实时获得的损耗因子 来计算距离，是指在RSSI (接收信号强度指示)的应用系统中，每个参考节点在不同区 域的损耗因子都采用实时测量的值，监控软件中有损耗因子参数的数据库，数据库按照 可设定的频率更新。所述损耗因子是定时在每四个相邻参考节点的中心测量信号强度后 计算获得，然后存放在软件数据库中。在定位过程中，采用3个信号强度最大的参考节 点，根据信号强度和距离的关系，得出移动节点的位置。具体的系统建设过程中，每四个相邻的参考节点确定一个区域，在每个区域的 中心位置测试出对应参考节点的损耗因子，然后把数据存在对应的数据库中，每个区域 对应一个4组损耗因子数据库，这样，相当于把环境因素，节点收发器性能的不一致性 都考虑在了损耗因子里面。在定位的过程中，首先根据3个接收到信号最强的参考节点确定移动节点在哪一个区域，然后确定用哪一个区域的参数来计算到各个参考节点的距 离，最后利用三边测量法来计算出移动节点的位置。本发明所述信号强度可以是射频信号强度或者水下声信号的强度。在定位过程 中，参考节点实时测量对应各个区域的参考节点路径损耗因子，按照设定的频率跟新损 耗因子的数据库；在接收到移动节点的信号时，利用信号最强的3个点来确定移动节点 所在的区域；利用对应区域的参考节点的损耗因子来计算移动节点到3个参考节点的距 离；利用三边测量的方法计算出移动节点的位置。采用这种定位技术的优点是，在多变 的环境(例如经常有货物进出的仓库)可以解决现有RSSI定位技术由于环境变化引起的 精度不高的缺点。参见图1。其中黑色的圆代表移动节点，空心的圆代表参考节点，双向的箭头表 示无线通信。系统的最基本组成可分为(1)不少于4个参考节点，每个参考节点具 有无线接收和发射功能，相互之间可以通过某种协议通信，其接收天线为各向同性，参 考节点的位置是已知的。(2)待测的一个或多个移动节点具有无线发射功能，发射频 率、通信协议和参考节点一致，其发射天线为各向同性。(3)至少需要一个基站，用于 收集各个参考节点发送过来的移动节点的RSSI信息，然后用前期测量的存放在数据库中 的损耗因子计算出移动节点到各个参考节点的距离，计算出移动节点位置。在利用无线能量定位的系统中，移动节点每隔固定时间发送信号，发送的时间 间隔也关系到定位系统的精度，同时也关系到移动节点的功耗问题。在实际的应用中， 由于一般采用电池供电的方式，应该考虑到对精度和使用时间的需求，然后选择发送间 隔和发送功率。参见图2。其中有9个空心的圆，分别代表9个参考节点，它们把整个定位区域 分为A、B、C、D，4个区域。已知无线信号传输损耗的公式如下
4c = ^厂 IOWdg d — I公式一
在损耗因子N的测量中，首先X代表的是参考节点和移动节点间距1米时的固定损 耗，可以预先测量多次，取平均值。Prto表示接收信号强度，Psaid表示发送信号强度。 每隔固定时间测量参考节点1、2、4、5这4个节点收到的信号强度P1, P2, P4, P5。已知 d为中心到各个参考节点的距离，可以分别计算出A区对应4个参考节点的损耗因子Nla, N2a, N4a, N5a。然后，分别测试其他3个区域参考节点对应的损耗因子，N2b, N3b, N5b, N6b, N4c, N5c, N7c, N8c, N5d, N6d, N8d, N9d，按照设定的频率更新损耗因子的数据库。参见图3。定位系统的工作流程中，首先确保每个参考节点都加入了网络，准备 就绪后，移动节点开始发送信号。参考节点按照收到移动节点信号强弱来排序，把收到 信号最强的三个参考点找出来，然后确定移动节点所在的区域。确定区域之后，用这三 个参考节点对应的该区域的损耗因子计算出移动节点到该三个参考节点的距离。最后， 利用三边测量法得出移动节点的位置。利用无线信号强度的定位过程中，首先要根据三个收到移动节点信号强度最大 的参考节点来判断移动节点所属的区域，然后利用该三个参考节点在该区域对应的损耗 因子分别计算出移动节点到这三个参考节点的距离，最后利用三边测量法来确定移动节 点的位置。参见图4，其中有2个移动节点，在移动节点1的定位过程中。首先，由于参考节点1、2、4收到的移动节点信号强度最大，确定使用这3个参考节点来定位，利用 A区的损耗因子。然后，利用上面的公式，在已知PRe。, Psend, Nla, N2a, N4a，X的情况下， 分别算出Ci1, d2, d4。然后利用三边测量法计算出移动节点1的位置。参考节点3、5、6收到的移动节点2的信号最强，判断移动节点2在区域B。然 后，利用公式一，在已知PRee, Psend, N3b, N5b, N6b,以及X的情况下，分别算出d3, d5, d6。 然后利用三边测量法来计算出移动节点2的位置。参见图5。在参考节点1、2、3、4所包围的区域中，参考节点2、4由于最近搬 入的货物，在损耗因子实时的测量中，参考节点2、4收到的信号强度较小，也就是说计 算出的损耗因子会比其他两点的大。在系统的定位过程中，参考节点2、4使用较大的损 耗因子能够减少由于货物遮挡带来的距离计算上的误差。因此，使用非均一化的损耗因 子能够克服多变环境下的定位难点，提高定位系统的精度。
权利要求
1.环境自适应的RSSI局部定位系统，其特征是包括不少于4个参考节点，每个参 考节点具有无线接收和发射功能，相互之间能够通过协议通信，参考节点的接收天线为 各向同性，参考节点的位置是已知的；待测的一个或多个移动节点具有无线发射功能， 发射频率、通信协议和参考节点一致，移动节点的发射天线为各向同性；还包括至少一 个基站，用于收集各个参考节点发送过来的移动节点的RSSI信息，然后用前期测量的存 放在数据库中的损耗因子计算出移动节点到各个参考节点的距离，从而计算出移动节点 位置。
2.环境自适应的RSSI局部定位方法，其特征是采用实时更新的区域相对应的损耗 因子来计算移动节点到参考节点的距离，即，在RSSI局部定位系统中，每个参考节点在 不同区域的损耗因子都采用实时测量的值，监控软件中有损耗因子参数的数据库，数据 库按照可设定的频率更新，在定位过程中，采用三个信号强度最大的参考节点，根据信 号强度和距离的关系，得出移动节点的位置。
3.如权利要求2所述环境自适应的RSSI局部定位方法，其特征是所述信号强度是指 射频信号强度或者水下声信号的强度。
4.如权利要求2所述环境自适应的RSSI局部定位方法，其特征是所述损耗因子是定 时在每四个相邻参考节点的中心测量信号强度后计算获得，然后存放在软件数据库中。
5.如权利要求2所述环境自适应的RSSI局部定位方法，其特征是在定位过程中，要 先根据三个收到移动节点信号强度最大的参考节点来判断移动节点所属的区域，然后利 用该三个参考节点在该区域对应的损耗因子分别计算出移动节点到这三个参考节点的距 离，最后利用三边测量法来确定移动节点的位置。
全文摘要
本发明提出了一种环境自适应的RSSI局部定位系统及方法，基于信号能量强度来定位，信号可以是射频信号或者是水下声信号，所述的定位步骤包括在定位过程中，参考节点实时测量对应各个区域的参考节点路径损耗因子，按照设定的频率跟新损耗因子的数据库；在接收到移动节点的信号时，利用信号最强的3个点来确定移动节点所在的区域；利用对应区域的参考节点的损耗因子来计算移动节点到3个参考节点的距离；利用三边测量的方法计算出移动节点的位置。采用这种定位技术的优点是，在多变的环境，例如经常有货物进出的仓库，可以解决现有RSSI定位技术由于环境变化引起的精度不高的缺点。
文档编号H04B17/00GK102014489SQ201010598328
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者万书芹, 虞致国, 陈子逢, 魏斌, 黄召军 申请人:中国电子科技集团公司第五十八研究所