基于RSSI算法的室内定位系统研究

0 引言

随着互联网、大数据处理、LBS等新兴技术的高速发展，精准的位置信息服务变得不可或缺，精准信息数据也愈发重要。当前定位技术大致可分为卫星微波定位技术和无线传感器网络(WSN)定位技术。市面上常见的应用型定位系统(如GPS)大多基于卫星微波进行定位，常用于室外无遮挡开阔区域的定位场景。以GPS为例，只要能接收任意四颗卫星的微波信号，即可进行误差在5米以内的定位。

总体组是铁路勘察设计院最基本的生产单元，鉴于总体在项目推进过程中发挥着最基础、最完整、最重要的统筹协调和把关作用，总体是团队运作的“领军人”、信息传递的“中间人”、项目控制的“关键人”、形象展示的“代言人”。这个表述远远高过设计院规定的岗位职责，明确了总体既负总责，又抓落实，还当代言的角色定位。

但是GPS定位技术受天气和位置的影响较大，不良天气、高层建筑、金属屏障等都对微波有极强的吸收弱化作用。当遇到天气不佳的时候、或者处于高架桥下或树荫下，或者在高楼的旁边角落、地下车库或露天的下层车库等遮蔽物较多的场景时，由于GPS地面接收器无法或不能很好的接受GPS卫星信号，经常无法提供可靠的定位服务。所以基于卫星微波的定位技术应用范围与场景被严格限制，仅可以在户外等无遮挡物的环境下使用，无法在有建筑物等遮挡物的场景下工作。此时，被称为定位领域“最后一公里”的室内定位技术开始崭露头角。

室内定位技术大致可分为红外线定位技术、超声波室内定位技术、无线传感器网络定位技术、超宽带室内定位技术等。其中无线传感器网络定位技术(WSN)是一项低成本、低能耗并且可以将在空间上分散的一系列传感器单元通过具有自动组网功能的无线网络进行连接的技术。这项技术能够很好的解决无法在室内使用卫星微波定位技术服务的问题，已经被广泛应用于仓储服务、生产监控、军事工业、医疗护理等社会重要领域[1]。

作为21世纪最有发展前景的无线射频识别技术(RFID)[2]是无线传感器网络的重要组成部分。RFID可在无需使识读器与相关节点之间建立光学、机械等可见性接触的前提下，通过无线电信号检测到相关目标并进行相关数据的传输[3]。在识读器与节点的通信过程中，使用RSSI指示识读器与节点之间的无线电信号的强度。在此基础上，使用RFID识读器接收未知节点的信号强度并通过数学模型计算出未知节点与接收器之间的距离并将多组数据进行拟合计算，最终确定出未知节点空间位置的技术被称作RSSI定位技术。

本文分析了RSSI定位方法的基本原理，设计了一套室内定位系统，阐述了系统定位的基本工作流程，通过现场实验分析表明了系统实现定位的有效性。

1 RSSI定位方法

目前，基于无线传感器网络定位技术的主流室内定位技术包括测量达到时间、测量到达角度、测量到达时间差、RSSI等几种测量方法[4]，这些测量方法的原理均是将可以被上位机接收的数据通过对应的数学模型变换成未知节点到上位机的距离或方位，进而采用三边测量法、三角测量法、极大似然估计法等数学方法来计算未知节点的位置[5]。

相较于其他定位方法，RSSI定位方法具有特征值获取难度小，无需增加硬件设备等优势，具有较高的可实施性和经济性，因此在无线传感器网络定位技术中被广泛使用。

1.1 确定距离

Harald T.Friis在1946年提出的弗里斯传输公式中证明空间内电波传播损耗仅与距离有关，公式中指明功率与位置的数学关系模型如下：

学者们从时间顺序、党的执政方略、国家意志等角度对党的生态文明思想的发展历程进行了细致的考察，观点各有千秋。实践发展永无止境，认识真理永无止境，理论创新永无止境。笔者认为，中国共产党的生态文明思想也是经历了一个漫长的探索历程，从生态意识觉醒萌芽到生态文明思想一代代的继承创新、丰富发展、不断完善，最后形成了臻于成熟的思想体系。我们必须结合每个时期的具体背景和发展实际，对共产党人提出的生态文明思想和执政方略进行分析研究，才能更好地考察和把握生态文明思想的发展历程。

式(1)中P(d)代表RFID节点与RFID 识别器的距离为d时的功率，即RSSI。P(d0)代表参考节点与RFID识别器的距离为d0时的RSSI值。n代表路径损耗指数，该指数需要经过多次实地测量才能获得相对值。在一般情况下，应用场景中的遮蔽物越多，n的值越大。受路径损耗指数影响，接收器接收到的信号强度的下降速度与接收距离成正比关系。X代表高斯随机变量，其单位是dBm，平均取值为0。高斯随机变量表明了当距离固定时，RFID接收器接收到的RFID节点信号强度的变化。

在实际应用中，通常将高斯随机变量(X)取值为0,此时得到：

 

一般应用场景下，d0的值取1M，一般用A来表示[p(d0)]dBm，于是可得：

[p(d)]dBm=A-10nlg(d) (3)

[p(d)]dBm 即所需的信号强度值，即RSSI。将此改写成RSSI，得到：

PSSI=A-10nlg(d) (4)

珠三角、长三角、京津冀作为中国区域经济一体化的三大重点经济圈均受到了不同程度的政策倾斜与支持，改革开放之后，随着上世纪70年代深圳经济特区和90年代上海浦东新区的建立，珠三角与长三角的对外贸易和区域经济发展都得到了不同程度的推动。京津冀地区身处内陆，缺乏长三角和珠三角的对外贸易地理优势。同时相较于北京天津高水平的科技实力和对人才的强劲吸引力，河北省在基础设施建设、高新技术水平提升和产业结构优化等多个领域都与京津地区有较大差距。因而，要推进区域经济的协调发展，推动京津冀地区一体化水平的提升，需要通过新区的建设来增强河北省经济发展和产业结构调整的动力，从而提升京津冀协调发展水平[2]。

point：=TriLoc(RefDist[j],Dist[k],rest(Dist)[m])

式(4)为使用RSSI原理来测量节点距离的经典模型[6]。该模型明确地给出了RSSI与距离d之间的数学关系。通过此模型可知，已知某节点的RSSI值即可通过模型算出节点与接收器之间的距离d。另外式(4)中的A为经验值，需要通过实际测量才可获得A在当前应用场景中的具体数值。因此在不同的环境下，上述模型也会发生变化。在实际使用时，大多使用线性回归分析方法来估算参数A和n的值[7]。

1.2 确定位置

建立了上述模型之后，在实验场地的不同区域设置参考节点并通过式(4)求出A值，进而建立起在当前工作环境下RSSI与d的数学模型。通过在已知的位置上设置RFID参考节点接收未知节点的RSSI值，进而使用此值计算出各个参考节点与未知节点的距离dn[8]，最后利用三边测量法计算出未知节点的位置。

算法过程如下：

Procedure RSSI_Location()

Begin

Ref：=[p1，p2，p3，p4]//输入四个参考坐标节点

RefDist：=[D1，D2，D3，D4]//参考坐标之间的距离

InputRef,RefDist

Dist //用于存储参考节点到未知节点的距离

Pointpoint //存储位置节点坐标

For(i：=0ToRef.length)

{

//根据RSSI与距离的关系求出参考节点到未知节点的距离

本系统的设计应用场景为大型室内封闭区域，将实验装置设置在室内定位条件较好的室内环境里，实验装置均保持在同一水平面上，并且在空间内没有障碍物阻挡通信。选取室内体育场为实测场地。通过实地测量可知当参考坐标与上位机之间的距离超过14M后，RSSI值几乎不再变化，不再满足接收信号强度与距离的反比关系。为保证上位机接收的测量值趋于精准，实验范围设定为7.8 m*7.8 m的方形区域并将待定位节点放置于场地中央。实验组系统测试用地规划如图2所示：

}

For(j：=0ToRefDist.length)

For(k：=0ToDist.length)

通过本文的研究和分析结果可知，加入亚硝酸盐阻断剂可以对食品中的亚硝酸盐的含量起到一定的中和与控制效果。大蒜中的大蒜素可以对亚硝酸盐的形成起到良好的控制效果，大蒜素本身还具有防癌的作用，但是洋姜对亚硝酸盐的抑制作用并不是很明显。同时脂的存在会对亚硝酸盐产生一定的影响，其不仅能够直接影响亚硝酸盐的含量测定结果，严重时还会导致整个测定结果偏低。

For(m：=0Torest(Dist).length)

//判断三边能否组成三角形

If(isTriangle(RefDist[j],Dist[k],rest(Dist)[m]))Then

从表5的数据统计来看：游览项目的不足性评价占比均低于50%，说明游览项目总体上能够满足游客需求。其中，商品价格高占比最大，达49.53%；其次是动物种类少和餐饮种类少等。这说明围绕动物园本身的服务有待继续提高，包括动物种类少、基础设施和科普知识缺乏，以及能提升动物园营收的商品销售和餐饮种类有待丰富。

{

有文献报道，献血者的献血意愿受工作人员的素质和业务熟练程度的影响。通过培训，使采血者在采血操作过程中，对献血者态度和蔼，语言亲切，动作轻柔，穿刺技术娴熟，确保采血顺利，提高采血成功率[11]，可以提升献血服务水平；采血后工作人员通过告知献血者查体相关检查检验结果，对献血者执行电话回访制度，体现人文关怀，可提升献血者满意度。

//使用三边测量法计算出未知节点坐标

将高岭土浆料于110 ℃烘干3 h，然后粉碎、研磨，置于马弗炉500 ℃煅烧 2 h，即得煅烧高岭土粉体.将煅烧高岭土粉按一定比例掺入低碳混凝土中代替部分矿粉，并与基准组进行比较，探讨其对低碳混凝土性能的影响.依照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》和GB/T 50082-2009《普通混凝土长期耐久性能试验方法》对所制备的低碳混凝土的物理性能、强度及耐久性能进行检测.

组织管理能力是指组织和管理班集体，对学生和班级日常工作进行组织管理的能力，包括管理班级或工程研究队伍的经验，参加学校管理活动和组织集体活动的经历等。目前我国应用型本科院校教师在组织管理能力方面表现良好，大多数教师经过培训和锻炼均能较好地管理班集体。

}

}

}

}

End

准备正式下水啦！我先是深吸一口气，闭上嘴巴，然后将整个身体投入水中，可游泳似乎并不像我想的那么简单，因为我在水里还没游几分钟，就被呛了好几口水。

(2)Server端接收RFID上位机传输的数据并对数据进行分析，计算出定位信息，完成定位过程。Server端通过JDBC[9]API与MySQL数据库进行定位数据持久化操作，方便PC客户端对定位数据进行查阅。

2 系统设计

2.1架构设计

本套室内定位系统的架构图如图1所示，系统主要由三大部分组成—Server端、RFID上位机端以及RFID定位节点组成。

  

图1 系统架构图

RFID识读模块采用E05-MLE132-T型nRF24LE1专用接收板。E05-MLE132-T具有USB供电、虚拟串口、调试按键、LED灯指示灯等功能模块，使用E05-MLE132-T进行应用开发十分方便。E05-MLE132AP2型接收天线具有体积小、插件型设计等特点，模块自带高性能PCB板载天线，识别距离可达1000 m。同时E05-MLE132AP2具有IPX接口，使用PXI接口外接高性能陶瓷天线，能够大幅度提升上位机的接收范围。本研究中设计的定位系统的上位机使用E05-MLE132-T型接收板，配合E05-MLE132AP2型接收天线可以识别1000 m以内的nRF24LE1标签，硬件设备性能和精度基本满足室内定位需求。

(1)RFID上位机端接收RFID节点定位数据，通过串口与Server端进行数据传输。

EndRSSI_Location

(3)PC客户端读取数据库中的定位数据并对数据进行解析，完成解析后将节点位置在在UI界面上展示。

2.2 硬件端

整套系统的硬件端由RFID上位机端(RFID识读模块)和RFID定位节点组成，使用2.45 G有源RFID作为开发技术。有源RFID标签选用Nordic设计生产的nRF24LE1标签[10]。nRF24LE1标签是一款集成了2.4 GHz无线传输、增强型51 Flash高速单片机的低功耗高性价比的2.4 GHz射频收发器[11]，具有严密的协议时序，安全性等特性，非常适用于室内定位系统。

我没有答话，我真的对颖春说的这些东西有些烦了，但颖春仍然兴致勃勃的，回到家，饭也不吃，觉也不睡，而是把我按在沙发上坐下说，老公，今晚我们好好合计一下我们下一步究竟该怎么走。我闭上眼睛说，你想怎么走就怎么走？我想睡觉了。颖春那一下突然跳了起来，她一把将我从沙发上拖了起来说，孙东西，你怎么这么没长进呢？从小你父母送你读书做什么？

系统工作流程如下：

2.3 Server端

Server端基于Java平台开发，通过串口数据线连接E05-MLE132-T即可通过串口实时接收各参考节点与未知节点的RSSI数据。由于完成室内定位需要多个RSSI值取平均值，所以将各个识读器接收到的RSSI值以键值对的形式保存在Map中。根据RSSI值与距离的数学关系模型确定待确定节点与各个参考节点之间的距离，使用定位算法确定未知标签的坐标值。共有三个核心类，分别为构建坐标点的Point类，获取节点RSSI值的GetRssi类以及确定位置节点的Location类。Point类中共有两个成员属性，分别标识坐标的x坐标和y坐标，其他类通过构造方法来声明即可。GetRssi类包括两个成员属性分别为locPoint和map，分别通过List结合存储节点的实际位置以及使用Map集合存储节点返回的RSSI值。Location类的核心功能是实现定位功能，通过传入GetRssi的实例完成初始化对象的过程，在通过调用getLocation()方法完成定位操作。

3 实验设置和数据分析

3.1 实验设置

3.1.1场景设置

设Cn=C×…×C为n维复Euclidean空间.对z=(z1,z2,…，zn)，w=(w1,w2,…，wn)∈Cn，z与w的内积表示为

Dist[i]：=GetDistance(GetRssi(Ref[i]))

  

图2 定位系统实验场地布局(实验组)

以标号为1的点为坐标原点建立二维坐标系，取坐标系中的(-7.8，0)点、(-7.8，7.8)点、(0，7.8)点为2、3、4点，分别放置参考节点。

3.1.2对照组设置

  

图3 定位系统实验场地布局(对照组)

由式(4)可知，A值需要通过现场实验测出，所以在正式实验前需要在所有的接收数据中随机抽取100组数据，得出A与n的经验值。在得到A与n的经验值后，将未知节点放置于已知位置，对比定位系统计算的节点位置可以很方便的对定位系统的准确性与可靠性进行评判。在本次试验中，将未知节点放置在试验区域的中心位置，即点(-3.9,3.9)。实验组与对照组实验过程保持一致。使用对照组装置重复以上步骤，得出未知节点的位置信息。

试验场地与实验组保持一致，以标号为1的点为坐标原点建立二维坐标系，取坐标系中的(-7.8，0)点、(-7.8，7.8)点、(0，7.8)点为2、3、4点，分别放置AP设备，如图3所示：

3.2 系统设置

3.2.1实验组设置

首先将上位机与电脑通过USB数据线相连，为上位机通电以及传输上位机接收到的参考标签的各项数据。将上位机设置好后，将参考标签以及未知标签通电，系统将自动进行组网通信。完成组网通信后，打开PC端定位系统监测软件，即可将参考标签和未知标签的具体位置实时显示在PC端上。当室内定位系统正常工作时，上位机通过获取参考标签得到未知标签的信号强度，并将信号的有效覆盖范围以不同的颜色图形化的显示在定位软件上。

3.2.2对照组设置

将设置在各个点的AP打开，同时将带有无线局域网连接功能的笔记本接入AP组成的局域网中，等待连接成功。连接成功后运行无线局域网定位程序，无线局域网定位程序使用百度地图SDK开发，提供地图显示功能。

3.3 实验过程

对照组使用无线局域网定位技术进行试验，同样使用RSSI定位算法进行室内定位。与RFID定位技术不同的是，无线局域网定位技术RSSI值的通过AP(网桥)之间连接传递和获取。这种方式获取RSSI相对简单，数据接收也无需上位机，只需要一台内置无线局域网信号接收器的设备即可接收。

3.4实验数据分析

3.4.1实验组数据

结合我校虚拟仿真实验中心的场地环境，以及人力资源管理专业具备的软硬件资源，设计的竞赛方案包括三个方面的构成：

实验组装置正常运行时使用经典定位模型计算出位置节点的坐标。实验组上位机每三秒钟获得一组定位数据，实验期间，上位机共接收到234组数据。其中无效数据35组，有效数据199组，占数据总数的85%，优秀数据40组，占数据总数的17%，占有效数据的20%。优秀数据如表1所示。

 

表1 实验组优秀数据表

  

点数据项P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10未知节点X轴数据-42-30-16-24-13-49-30-35-01-54未知节点Y轴数据28352012074944445224点数据项P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20未知节点X轴数据-12-05-51-35-20-40-44-59-40-39未知节点Y轴数据36193643580649193126点数据项P21P22P23P24P25P26P27P28P29P30未知节点X轴数据-48-47-35-14-35-35-39-30-35-53未知节点Y轴数据14483209434339484325点数据项P31P32P33P34P35P36P37P38P39P40未知节点X轴数据-51-28-36-27-28-36-26-51-39-30未知节点Y轴数据27344223203522323851

将系统接收到的有效数据在二维坐标系中标出，如图4所示：

  

图4 实验组上位机接收数据分布图

通过上位机接收数据分布图可以看出，大量的点聚集在实际位置附近。经过计算，优秀数据点的X轴平均值为-3.4，Y轴平均值为3.3，与实际点的位置误差距离为0.78。通过对实验数据进行分析后发现，当未知节点处在几何中心位置时，误差平均为1m，当未知节点不处于中心位置时，误差平均为2m，系统误差基本满足大型封闭室内定位场景精度需求。

3.4.2对照组数据

对照组装置由于无法保证定位的实时性，只能采用轮询的思想通过Ajax每三秒发送一次位置获取请求来实现伪实时性。在实验期间，系统共接收234组数据。其中无效数据41组，有效数据193组，取较优秀数据40组进行分析。对照组优秀数据如表2所示。

 

表2 对照组优秀数据表

  

点数据项P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10未知节点X轴数据-38-43-39-47-47-40-37-43-35-37未知节点Y轴数据45404245404140434437点数据项P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20未知节点X轴数据-37-41-44-43-46-46-43-43-36-40未知节点Y轴数据46424038443739453535点数据项P21P22P23P24P25P26P27P28P29P30未知节点X轴数据-37-46-43-39-44-42-39-38-45-45未知节点Y轴数据40464539414546453538点数据项P31P32P33P34P35P36P37P38P39P40未知节点X轴数据-38-36-42-40-38-41-36-45-37-40未知节点Y轴数据45463543454640463836

对照组优秀数据的点位置分布图如图5所示。

  

图5 对照组接收数据分布图

3.4.3实验结论

通过对比实验组和对照组搜集的优秀数据可以发现，在相同环境下采用本研究设计的实验组的优秀数据与实际位置偏移量相较对照组的优秀数据明显更小，也就说明精准度更高。同时对照组所采用的无线局域网定位技术方案更容易收到环境因素的影响，如在实验期间有人在实验区域内走动等相关微小的环境改变都会产生巨大的误差[12]，这对于经常有人或物品移动的室内环境显然无法适用的。无线局域网定位技术中，AP放置的位置也需要经过多次试验后才能确定，定位时还需采集大量的数据才可完成相对精准的定位，运算量较大[13]，对设备要求高。

相比对照组的实验设备实验组所需设备更加廉价，可以在短时间内以较低的成本搭建整个系统。

4 结束语

本研究中实现的定位系统利用RSSI测距方法，对上位机传输的RSSI数据进行加工处理，建立了在当前试验场景下定位较为优异的模型，验证了RSSI定位算法的有效性。通过设置以无线局域网定位技术的对照组进一步验证了研究系统的定位能力。相对于传统的定位技术，本系统解决了GPS等传统定位技术无法应用于室内场景的问题，基本达到应用场景对定位的精准度要求，具有一定的应用价值。下一步将对RSSI定位算法进行优化改进，提升系统的定位精准度以满足更为严苛的应用场景需求。

第一,环保共治格局正在形成。经济社会发展的不平衡性和环境问题的复杂性决定了中国环境管理模式选择的多维性。中国当前的环境管理已经逐步从过去单纯的自上而下转变为自上而下与自下而上相结合的方式,除了行政手段外,还需擅用市场调节、鼓励公众参与、促进企业自律,让每个人都成为保护环境的参与者、建设者、监督者。

参考文献

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