基于RSSI的无线室内定位技术的研究和实现

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随着基于位置服务相关技术的成熟以及普及,定位应用已为人们的日常生活提供了极大的便利,市场对于定位需求和精准度要求与日俱增。在室外定位方面,卫星定位技术完善且广泛运用,如GPS、国产北斗系统等,均具备良好定位准度,民用准度可达10m;蜂窝网络定位技术定位速度快,成本低廉,可满足对定位精度要求低的需求;但室内环境由于多径、非视距(NLOS)、信号干扰等因素存在,一般的室外定位方法不适用于室内。  设计研究性能良好的室内定位方法既是无线研究领域亟待解决的技术热点,亦具备良好的技术意义和应用前景。我们参考当前主流室内定位算法,使用数学模型用于计算,结合神经网络非线性映射等优点,提出搭建一套小型的基于RSSI的无线室内混合定位系统。我们主要做了如下研究以及工作:  (1)改进基于RSSI的测距模型。RSSI测距方法主要原理是利用发送节点和接收节点间信号传输的强度(RSSI)和两节点间实际测量的距离来计算出信号的传输损耗,将其转化为测距模型。针对一般传统的基于RSSI室内定位方法在测距中太过依赖经验且误差较大的问题;结合神经网络非线性映射力等优点,提出利用神经网络拟合取代传统算法方式,避免信号传输损耗建模中对于复杂参数的经验估计以及近似取舍,所导致的误差累积问题。  (2)改进质心定位方法。经典质心定位计算方法通过确定未知节点可能存在的落点范围,或直接计算质心,或结合加权等方式确定未知节点的位置。针对经典定位计算方法界定未知节点位置过于粗糙的问题,提出概率环形区间交叠算法,通过数学模型精确计算区间,从范围界定上提高定位算法的精确度;为提高算法对于小概率,高干扰下的信号强度的容忍度,另外提出使用多边界质心法来处理特殊的信号强度,从而协助完成整个过程的定位。  (3)改进无线传感器路由协议。本文定位方案是基于TinyOS设计,其协议栈中自带LEPS(Link Estimation and Parent Selection)多跳路由协议,但由于节点间只采用单一的路由状态广播进行信息交换,LEPS协议通信稳定性和可靠性相较低。针对LEPS协议存在的问题,我们通过修改父节点信道评估机制改进了该路由协议,提高信息的交付率。  (4)设计上位机监控软件。我们使用QT进行可视化编程,实现对于未知节点的位置信息进行监控和记录,并通过汇聚节点的串口接收各子节点上传的数据包,提取出节点的ID、节点通信接收RSSI等信息,并通过高斯模型处理得到的原始数据,使用自定义的混合定位方案求取并记录未知节点坐标信息,最终绘制出实验对象的节点分布情况。  (5)完成实测实验。在实际应用环境中,由于受到多径衰减、环境噪声、信号传输中的反射、绕射等现象以及天线增益等问题的影响,MATLAB、NS2等软件的仿真实验无法完全模拟环境干扰因素。针对这些问题,我们把设计的定位系统部署到实际环境下进行实测,对定位算法的性能作全面的验证。
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