專利名稱：環境自適應的rssi局部定位系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種基于信號能量強度定位的方法，尤其是一種環境自適應的RSSI 局部定位系統及方法。
背景技術：
局部定位技術按照原理可以分為三類基于時間的定位技術、基于信號強度 (RSSI，接收信號強度指示)的定位技術、基于信號角度(AOA)的定位技術，基于時間的 定位技術可分為到達時間(TOA)和到達時間差(TDOA)。TOA需要參考節點之間精確的 時間同步；TDOA受限于過短的超短波傳輸距離和環境的通視性；AOA需要額外的硬件 支持。RSSI定位系統的硬件組成如圖1所示，包括(1) 2個或者以上的參考節點， 每個節點都有無線接收和發送的功能，而且這些節點的位置都是固定而且已知的。(2) 待定位的移動節點，其傳輸協議和參考節點相同，但只具有無線發射功能。(3) —個網 關/基站節點，用于接收參考節點收到的移動節點的RSSI信息，通過軟件計算得出移動 節點的位置。RSSI定位技術成本低，定位精度可以滿足大部分的應用，而且它不需要額外的 硬件支持，利用參考節點和移動節點最基本的發射和接收就可以實現定位。但是，現有 技術中由于各個節點的接收器和天線的性能不一致性，環境因素等多重影響使得RSSI定 位系統的精度有限。局部定位技術對于工業安全監控，例如煤礦安全等問題具有重要意義，當然其 應用領域不局限于此，用在工業流水線上，能夠提高流水線的效率。以煤礦井下工作安 全為例，一旦發生事故，如何快速、準確的找到人員所在的位置，對于救助工作有極大 的幫助。利用無線傳感器網絡技術，可以在監測環境中預先布置好若干固定位置的參考 節點，并且利用這些節點來接收人員攜帶的節點發出的信號，進而通過一定的算法來確 定人員的位置。

發明內容
本發明主要克服了現有技術在定位精度上的不足，特別是對于隨著時間變化較 大的環境，提供一種環境自適應的RSSI局部定位系統及方法，采用實時獲得的損耗因子 來計算距離。按照本發明提供的技術方案，所述環境自適應的RSSI局部定位系統包括不少于 4個參考節點，每個參考節點具有無線接收和發射功能，相互之間能夠通過協議通信，參 考節點的接收天線為各向同性，參考節點的位置是已知的；待測的一個或多個移動節點 具有無線發射功能，發射頻率、通信協議和參考節點一致，移動節點的發射天線為各向 同性；還包括至少一個基站，用于收集各個參考節點發送過來的移動節點的RSSI信息， 然后用前期測量的存放在數據庫中的損耗因子計算出移動節點到各個參考節點的距離， 從而計算出移動節點位置。
所述環境自適應的RSSI局部定位方法是采用實時更新的區域相對應的損耗因 子來計算移動節點到參考節點的距離，即，在RSSI局部定位系統中，每個參考節點在不 同區域的損耗因子都采用實時測量的值，監控軟件中有損耗因子參數的數據庫，數據庫 按照可設定的頻率更新，在定位過程中，采用三個信號強度最大的參考節點，根據信號 強度和距離的關系，得出移動節點的位置。所述信號強度是指射頻信號強度或者水下聲信號的強度。所述損耗因子是定時在每四個相鄰參考節點的中心測量信號強度后計算獲得， 然后存放在軟件數據庫中。在定位過程中，要先根據三個收到移動節點信號強度最大的參考節點來判斷移 動節點所屬的區域，然后利用該三個參考節點在該區域對應的損耗因子分別計算出移動 節點到這三個參考節點的距離，最后利用三邊測量法來確定移動節點的位置。本發明的優點是
1.實現方便本發明提出的方法采用參考節點和移動節點的收發就可以直接完成。2.提高精度可以消減監測區域環境不均一以及時變等特性帶來的誤差，把屏 蔽等各種因素以損耗因子的形式存放在測距的數據庫中并且不斷更新，有效提高定位和 跟蹤的精度。3.適用范圍廣本發明不受陸地和水下環境的影響，可以在工業環境、民用環 境、軍事領域廣泛應用。


圖1是定位系統組成示意圖。圖2是定位系統的實時損耗因子測量示意圖。圖3是定位系統算法流程圖。圖4是定位系統工作示例。圖5是定位系統對環境因素的校正作用示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明在RSSI定位系統中， 采用實時更新的區域相對應的損耗因子來計算移動節點到參考節點的距離，使得環境因 素能夠體現在實時的損耗因子計算中，提高定位精度。所述的采用實時獲得的損耗因子 來計算距離，是指在RSSI (接收信號強度指示)的應用系統中，每個參考節點在不同區 域的損耗因子都采用實時測量的值，監控軟件中有損耗因子參數的數據庫，數據庫按照 可設定的頻率更新。所述損耗因子是定時在每四個相鄰參考節點的中心測量信號強度后 計算獲得，然后存放在軟件數據庫中。在定位過程中，采用3個信號強度最大的參考節 點，根據信號強度和距離的關系，得出移動節點的位置。具體的系統建設過程中，每四個相鄰的參考節點確定一個區域，在每個區域的 中心位置測試出對應參考節點的損耗因子，然后把數據存在對應的數據庫中，每個區域 對應一個4組損耗因子數據庫，這樣，相當于把環境因素，節點收發器性能的不一致性 都考慮在了損耗因子里面。在定位的過程中，首先根據3個接收到信號最強的參考節點確定移動節點在哪一個區域，然后確定用哪一個區域的參數來計算到各個參考節點的距 離，最后利用三邊測量法來計算出移動節點的位置。本發明所述信號強度可以是射頻信號強度或者水下聲信號的強度。在定位過程 中，參考節點實時測量對應各個區域的參考節點路徑損耗因子，按照設定的頻率跟新損 耗因子的數據庫；在接收到移動節點的信號時，利用信號最強的3個點來確定移動節點 所在的區域；利用對應區域的參考節點的損耗因子來計算移動節點到3個參考節點的距 離；利用三邊測量的方法計算出移動節點的位置。采用這種定位技術的優點是，在多變 的環境(例如經常有貨物進出的倉庫)可以解決現有RSSI定位技術由于環境變化引起的 精度不高的缺點。參見圖1。其中黑色的圓代表移動節點，空心的圓代表參考節點，雙向的箭頭表 示無線通信。系統的最基本組成可分為(1)不少于4個參考節點，每個參考節點具 有無線接收和發射功能，相互之間可以通過某種協議通信，其接收天線為各向同性，參 考節點的位置是已知的。(2)待測的一個或多個移動節點具有無線發射功能，發射頻 率、通信協議和參考節點一致，其發射天線為各向同性。(3)至少需要一個基站，用于 收集各個參考節點發送過來的移動節點的RSSI信息，然后用前期測量的存放在數據庫中 的損耗因子計算出移動節點到各個參考節點的距離，計算出移動節點位置。在利用無線能量定位的系統中，移動節點每隔固定時間發送信號，發送的時間 間隔也關系到定位系統的精度，同時也關系到移動節點的功耗問題。在實際的應用中， 由于一般采用電池供電的方式，應該考慮到對精度和使用時間的需求，然后選擇發送間 隔和發送功率。參見圖2。其中有9個空心的圓，分別代表9個參考節點，它們把整個定位區域 分為A、B、C、D，4個區域。已知無線信號傳輸損耗的公式如下
4c = ^廠 IOWdg d — I公式一
在損耗因子N的測量中，首先X代表的是參考節點和移動節點間距1米時的固定損 耗，可以預先測量多次，取平均值。Prto表示接收信號強度，Psaid表示發送信號強度。 每隔固定時間測量參考節點1、2、4、5這4個節點收到的信號強度P1, P2, P4, P5。已知 d為中心到各個參考節點的距離，可以分別計算出A區對應4個參考節點的損耗因子Nla, N2a, N4a, N5a。然后，分別測試其他3個區域參考節點對應的損耗因子，N2b, N3b, N5b, N6b, N4c, N5c, N7c, N8c, N5d, N6d, N8d, N9d，按照設定的頻率更新損耗因子的數據庫。參見圖3。定位系統的工作流程中，首先確保每個參考節點都加入了網絡，準備 就緒后，移動節點開始發送信號。參考節點按照收到移動節點信號強弱來排序，把收到 信號最強的三個參考點找出來，然后確定移動節點所在的區域。確定區域之后，用這三 個參考節點對應的該區域的損耗因子計算出移動節點到該三個參考節點的距離。最后， 利用三邊測量法得出移動節點的位置。利用無線信號強度的定位過程中，首先要根據三個收到移動節點信號強度最大 的參考節點來判斷移動節點所屬的區域，然后利用該三個參考節點在該區域對應的損耗 因子分別計算出移動節點到這三個參考節點的距離，最后利用三邊測量法來確定移動節 點的位置。參見圖4，其中有2個移動節點，在移動節點1的定位過程中。首先，由于參考節點1、2、4收到的移動節點信號強度最大，確定使用這3個參考節點來定位，利用 A區的損耗因子。然后，利用上面的公式，在已知PRe。, Psend, Nla, N2a, N4a，X的情況下， 分別算出Ci1, d2, d4。然后利用三邊測量法計算出移動節點1的位置。參考節點3、5、6收到的移動節點2的信號最強，判斷移動節點2在區域B。然 后，利用公式一，在已知PRee, Psend, N3b, N5b, N6b,以及X的情況下，分別算出d3, d5, d6。 然后利用三邊測量法來計算出移動節點2的位置。參見圖5。在參考節點1、2、3、4所包圍的區域中，參考節點2、4由于最近搬 入的貨物，在損耗因子實時的測量中，參考節點2、4收到的信號強度較小，也就是說計 算出的損耗因子會比其他兩點的大。在系統的定位過程中，參考節點2、4使用較大的損 耗因子能夠減少由于貨物遮擋帶來的距離計算上的誤差。因此，使用非均一化的損耗因 子能夠克服多變環境下的定位難點，提高定位系統的精度。
權利要求
1.環境自適應的RSSI局部定位系統，其特征是包括不少于4個參考節點，每個參 考節點具有無線接收和發射功能，相互之間能夠通過協議通信，參考節點的接收天線為 各向同性，參考節點的位置是已知的；待測的一個或多個移動節點具有無線發射功能， 發射頻率、通信協議和參考節點一致，移動節點的發射天線為各向同性；還包括至少一 個基站，用于收集各個參考節點發送過來的移動節點的RSSI信息，然后用前期測量的存 放在數據庫中的損耗因子計算出移動節點到各個參考節點的距離，從而計算出移動節點 位置。
2.環境自適應的RSSI局部定位方法，其特征是采用實時更新的區域相對應的損耗 因子來計算移動節點到參考節點的距離，即，在RSSI局部定位系統中，每個參考節點在 不同區域的損耗因子都采用實時測量的值，監控軟件中有損耗因子參數的數據庫，數據 庫按照可設定的頻率更新，在定位過程中，采用三個信號強度最大的參考節點，根據信 號強度和距離的關系，得出移動節點的位置。
3.如權利要求2所述環境自適應的RSSI局部定位方法，其特征是所述信號強度是指 射頻信號強度或者水下聲信號的強度。
4.如權利要求2所述環境自適應的RSSI局部定位方法，其特征是所述損耗因子是定 時在每四個相鄰參考節點的中心測量信號強度后計算獲得，然后存放在軟件數據庫中。
5.如權利要求2所述環境自適應的RSSI局部定位方法，其特征是在定位過程中，要 先根據三個收到移動節點信號強度最大的參考節點來判斷移動節點所屬的區域，然后利 用該三個參考節點在該區域對應的損耗因子分別計算出移動節點到這三個參考節點的距 離，最后利用三邊測量法來確定移動節點的位置。
全文摘要
本發明提出了一種環境自適應的RSSI局部定位系統及方法，基于信號能量強度來定位，信號可以是射頻信號或者是水下聲信號，所述的定位步驟包括在定位過程中，參考節點實時測量對應各個區域的參考節點路徑損耗因子，按照設定的頻率跟新損耗因子的數據庫；在接收到移動節點的信號時，利用信號最強的3個點來確定移動節點所在的區域；利用對應區域的參考節點的損耗因子來計算移動節點到3個參考節點的距離；利用三邊測量的方法計算出移動節點的位置。采用這種定位技術的優點是，在多變的環境，例如經常有貨物進出的倉庫，可以解決現有RSSI定位技術由于環境變化引起的精度不高的缺點。
文檔編號H04B17/00GK102014489SQ201010598328
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月21日 優先權日2010年12月21日
發明者萬書芹, 虞致國, 陳子逢, 魏斌, 黃召軍 申請人:中國電子科技集團公司第五十八研究所