王娜娜,付 強,劉澤龍

(1.63626部隊,甘肅 酒泉 732750;2.63607部隊,甘肅 酒泉 732750)

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基于RSSI實時精確定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王娜娜1*,付 強2,劉澤龍1

(1.63626部隊,甘肅 酒泉 732750;2.63607部隊,甘肅 酒泉 732750)

為實現(xiàn)室內(nèi)實時高精確定位,設(shè)計了基于RSSI的實時精確定位系統(tǒng)。首先基于RSSI測距原理,建立強度與距離數(shù)學(xué)模型把強度轉(zhuǎn)化為距離,然后采用改進加權(quán)質(zhì)心算法來進行定位,并把定位誤差作為目標(biāo)函數(shù),最后運用簡化粒子群優(yōu)化算法對目標(biāo)函數(shù)進行全局最優(yōu)值搜索,采用C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和多線程技術(shù)實現(xiàn)了實時同步獲取RSSI值,采用GUI設(shè)計了定位系統(tǒng)界面,實現(xiàn)了定位結(jié)果實時動態(tài)顯示。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)實現(xiàn)了室內(nèi)實時高精確定位。

RSSI測距;改進質(zhì)心定位算法;定位誤差;簡化粒子群優(yōu)化算法;GUI界面顯示

目前主流的GPS定位技術(shù)[1]主要用在室外場景,而在室內(nèi)環(huán)境下由于遮擋物的存在,無線信號傳輸過程中會發(fā)生折射、反射以及能量衰減[2]等現(xiàn)象,導(dǎo)致GPS等衛(wèi)星定位技術(shù)不準(zhǔn)確甚至不能進行室內(nèi)目標(biāo)定位。為此本文設(shè)計了一種基于RSSI的高精度的實時定位系統(tǒng),系統(tǒng)中定位算法相比文獻[3]中質(zhì)心算法增加權(quán)值定位更精確;文獻[4]中采用梯度下降法和離群算法對定位效果進行優(yōu)化,算法復(fù)雜并且容易產(chǎn)生局部收斂,使得定位精度不高,本文采用簡化粒子群優(yōu)化算法對定位誤差進行最小化,算法實現(xiàn)簡單,具有全局最優(yōu),定位精度高。

1 基于RSSI定位系統(tǒng)

本文定位系統(tǒng)采用iBeacon基站作為移動點,iBeacon嗅探器作為固定錨節(jié)點。iBeacon基站采用低功耗藍牙技術(shù),以廣播的形式不斷向周圍發(fā)送自己的MAC地址[5]、Major、Minor、UUID號和RSSI值[6]等信息,iBeacon嗅探器接收這些信息并以wifi形式發(fā)送出去。

1.1 基于RSSI測距原理

無線信號在自由空間中的傳播模型[7]為:

P(d)=P(d0)-10αlg(d/d0)+ξ

(1)式中:P(d)和P(d0)分別為嗅探器距離iBeacon基站dm和d0m處的接收功率,單位為dBm;α[8]為無線信道衰減因子,同具體無線環(huán)境緊密相關(guān);ξ[9]為一個均值為零,服從高斯分布的隨機變量。在iBeacon基站技術(shù)中規(guī)定d0為1 m,P(d0)即為當(dāng)嗅探器距離iBeacon基站1 m時的接收信號強度值,其為一固定值。從而無線信號的傳播模型可簡化為:

RSSI=A-10αlgd+ξ

(2)

式中:A和α為經(jīng)驗值,需要通過實驗測量數(shù)據(jù)進行擬合得到,RSSI值可直接從藍牙終端獲得,而d即為所求的嗅探器與基站的直線距離。

1.2 基于改進加權(quán)質(zhì)心的定位算法

質(zhì)心算法[10]是基于無線網(wǎng)絡(luò)連通性,質(zhì)心指的是幾個節(jié)點組成的多邊形的質(zhì)心。以每一個iBeacon嗅探器錨節(jié)點為圓心,以RSSI值轉(zhuǎn)換距離d為半徑畫圓,那么定位未知節(jié)點就應(yīng)該位于所有圓的交集部分,如圖1所示的陰影區(qū)域。質(zhì)心算法是取所有圓的交點,對交點組成的多邊形進行求質(zhì)心,此質(zhì)心即為定位目標(biāo)。

圖1 質(zhì)心定位示意圖

(3)

(4)

式中:n為權(quán)值修正系數(shù),提高定位精度。

2 基于簡化粒子群優(yōu)化算法的定位誤差最小化

2.1 簡化粒子群優(yōu)化算法

粒子群優(yōu)化算法是一種群體智能的全局最優(yōu)搜索算法[12],通過模擬鳥類的覓食行為建立數(shù)學(xué)模型。本文采用簡化粒子群優(yōu)化算法[13],粒子進化過程與速度無關(guān),避免陷入局部極值,進化停滯步數(shù)作為觸發(fā)條件對全局極值Pg和個體極值P0進行隨機擾動,實現(xiàn)全局最優(yōu)。極值擾動算子為:

(5)

式中:tg、t0分別表示全局極值和個體極值進化停滯步數(shù),Tg、T0分別表示全局極值和個體極值擾動觸發(fā)的閾值。觸發(fā)約束條件如下:

(6)

式中:r3、r4表示帶條件的均勻隨機函數(shù),U(0,1)表示在(0,1)內(nèi)服從均勻分布的隨機數(shù)。

(7)

式中:wt是慣性權(quán)值系數(shù),是隨著進化代數(shù)t的增加而線性減少,則wt表達式如下:

wt=wmax-(wmax-wmin)×t/tsum

(8)

式中:wmax為最大慣性權(quán)重系數(shù),wmin為最小慣性權(quán)重系數(shù),t為當(dāng)前迭代次數(shù),tsum為最大迭代次數(shù)。慣性權(quán)值可提高算法跳出局部極值能力。

2.2 基于定位誤差最小化的目標(biāo)函數(shù)

改進的加權(quán)質(zhì)心算法是在所有圓的交集內(nèi)依據(jù)錨節(jié)點貢獻大小進行定位,定位結(jié)果存在誤差,為使定位更精確,本文對定位誤差進行最小化,即在改進加權(quán)質(zhì)心算法得到的定位點附近小范圍搜索誤差最小的點。定位誤差最小化目標(biāo)函數(shù)為:

(9)

式中:

(10)

3 定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

為實時采集iBeacon嗅探器發(fā)送的數(shù)據(jù),采用Java編程語言設(shè)計無線數(shù)據(jù)采集C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),并將數(shù)據(jù)存儲在SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫中?；贛ATLAB平臺訪問數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),編程實現(xiàn)RSSI值與距離d轉(zhuǎn)換,采用改進加權(quán)質(zhì)心定位算法進行實時定位,然后簡化粒子群優(yōu)化算法對定位誤差進行最小化,最后采用MATLAB中的GUI設(shè)計系統(tǒng)的實時顯示界面。

3.1 基于wifi的C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

嗅探器把接收到的基站信息以Wifi形式向外部發(fā)送,基于Wifi特性,用無線網(wǎng)卡搭建客戶端與服務(wù)器(Client/Server)架構(gòu),這里把iBeacon嗅探器作為客戶端,安裝無線網(wǎng)卡的主機當(dāng)做服務(wù)器。如圖2所示為C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。

圖2 基于wifi的C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

3.2 基于多線程技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取與存儲

基于Wifi的C/S模式實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的連通,為實現(xiàn)實時定位,需要同時獲取多個嗅探器發(fā)送的數(shù)據(jù),為此采用Eclipse開發(fā)平臺的多線程技術(shù)。采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫實時存儲數(shù)據(jù)。設(shè)定嗅探器工作于TCP Client模式,端口號:8899,網(wǎng)卡IP地址為192.168.2. 三個iBeacon嗅探器IP地址為:192.168.2.5、192.168.2.6、192.168.2.7,網(wǎng)關(guān):192.168.2.11/24。如圖3所示為數(shù)據(jù)實時獲取與存儲工作流程圖。

圖3 數(shù)據(jù)實時獲取與存儲工作流程圖

3.3 定位界面設(shè)計

為實現(xiàn)快速計算、準(zhǔn)確定位,采用MATLAB進行定位算法實現(xiàn)和定位界面設(shè)計,其中定位界面基于GUI工具實現(xiàn)。下面對界面顯示功能進行設(shè)計:①為實現(xiàn)對多目標(biāo)的定位,設(shè)置“基站選擇”菜單,可以對多基站多目標(biāo)進行選擇定位。②為控制讀取數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的頻率,設(shè)置“時間間隔”菜單,控制定位速度。③設(shè)置“目標(biāo)位置”窗口,采用激光測距儀精確測量定位目標(biāo)的坐標(biāo)位置“X”和“Y”值并顯示,方便與定位結(jié)果作比對。④設(shè)置兩個定位結(jié)果窗口,一個是采用簡化粒子群對定位誤差最小化后的定位目標(biāo)的位置“X”和“Y”和定位誤差“ERROR”,另一個是采用改進加權(quán)質(zhì)心定位算法的結(jié)果坐標(biāo)和定位誤差。⑤設(shè)置“定位”與“停止”按鈕來控制定位的進程。

4 定位系統(tǒng)測試

為了測試本文定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性,把測試環(huán)境放在一個20 m×20 m的會議禮堂,采用3個iBeacon嗅探器,經(jīng)過測試得到3個iBeacon嗅探器距離iBeacon基站1 m處時接收信號強度RSSI值分別為A1=73.7、A2=72.2、A3=73.6,無線信道衰減因子分別為α1=1.997 2、α2=1.994 0、α3=2.021 9。簡化粒子群優(yōu)化算法參數(shù)設(shè)置:粒子維數(shù)N=2;粒子在二維空間坐標(biāo)位置變化范圍L=0.2;粒子數(shù)n=50;迭代次數(shù)tsum=100;停滯步數(shù)tg=1,t0=0,閾值Tg=5,T0=3;慣性權(quán)重系數(shù)wmax=0.8,wmin=0.3。

實驗中選取30個測試位置,時間間隔1 s,為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,對每一個測試位置數(shù)據(jù)求平均值作為該位置點的信號強度RSSI值。圖4是定位系統(tǒng)測試結(jié)果圖,其中,點畫線的為目標(biāo)點位置,星畫線為本文進行誤差最小化后的定位結(jié)果。

圖4 定位系統(tǒng)測試結(jié)果

圖5是分別采用改進加權(quán)質(zhì)心定位算法和簡化粒子群優(yōu)化定位誤差最小化算法的定位結(jié)果誤差,由圖可見經(jīng)過簡化粒子群對定位誤差最小化的處理后,定位誤差明顯減小。

圖5 定位誤差分析圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于RSSI實時精確定位系統(tǒng)所需器材少,成本低,實現(xiàn)操作簡單。該系統(tǒng)采用多種技術(shù)融合,首先采用Java編程語言設(shè)計無線數(shù)據(jù)采集C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實時存儲數(shù)據(jù),多線程技術(shù)實現(xiàn)并行讀取3個嗅探器的RSSI數(shù)據(jù),然后采用MATLAB編程完成改進加權(quán)質(zhì)心定位算法和簡化粒子群對定位誤差最小化算法,最后采用GUI設(shè)計定位系統(tǒng)顯示界面,實時動態(tài)顯示定位結(jié)果。定位系統(tǒng)測試結(jié)果表明:本文設(shè)計的定位系統(tǒng)可實現(xiàn)了室內(nèi)目標(biāo)的實時高精確定位,經(jīng)誤差最小化校正誤差小于0.2 m。

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王娜娜(1985-),女,碩士,工程師,中國人民解放軍第63626部隊,研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電磁頻譜定位,wangnanasj@126.com;

付 強(1989-),男,本科,工程師,中國人民解放軍第63607部隊,研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

Design and Realization of Realtime Accurate Location SystemBased on

Signal Strength Indicator

WANG Nana1*,FU Qiang2,LIU Zelong1

(1.Unit 63626,Jiuquan Gansu 732750,China;2.Unit 63607,Jiuquan Gansu 732750,China)

In order to realize the real-time and accurate positioning in the room,A real-time precise positioning system is designed based on Received Signal Strength Indicator(RSSI). Firstly,based on the principle of RSSI distance measurement,the strength and distance mathematical model is established to transform the signal intensity into distance,then the improved weighted centroid algorithm is used to locate the target,and the positioning error is taken as the objective function. Finally,the simplified particle swarm optimization algorithm is used to optimize the objective function. The C/S network architecture and the multi-thread technology are used to obtain the RSSI value. The positioning system interface is designed by using the GUI. In the end,the real-time dynamic display of the positioning is realized. The test result shows that the system realizes the high precision positioning in the room

Received Signal Strength Indicator measurement;improved weighted centroid localization algorithm;positioning error;simple particle swarm optimization;GUI interface display

ved Signal Strength Indicator)指的是接收信號的強度。RSSI測距原理:已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射功率、接收節(jié)點處的接收功率,計算出無線信號的傳播損耗,依據(jù)自由空間無線信號傳播模型,將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離,即為發(fā)射信號點與接收點的距離。

2016-11-01 修改日期:2017-03-12

TP393.1

A

1004-1699(2017)07-1095-05

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.021