郭 军,黄炎子,陆思梦,刘守印

(华中师范大学,湖北 武汉,430079)

0 引言

随着物联网、移动互联网的逐步发展，基于位置的服务需求日益增长，典型的定位系统有Active Badge、RADA、SpotON和Cricket Location等，这些系统大部分使用UWB、WIFI、ZigBee、RFID、AGPS、红外或超声波等技术，距离的测量通常采用 Received Signal Strength Indication（RSSI，接收信号强度）、Angle-of-arrival（AOA）、 Time-of-arrival（TOA）和 Time-difference-of-arrival（TDOA）等算法。其中基于ZigBee技术的定位已有许多研究，但多以得到定位目标的坐标点为定位目的。实际应用中，许多应用场景不关心定位目标的具体坐标，而是关注定位目标是否在一定的区域范围，例如我们关注小学生是否在校园内，或者在教室内，而在这些区域内的具体位置并不重要。针对此类应用，本文利用双收发机相互协同及RSSI随距离变化的特点，提出一种以区域范围为目标的Arealogin定位方法，采用类似区域登录的机制，使用ZigBee技术实现一种低复杂度、低功耗、高效的区域定位系统。

1 研究背景

目前专门实现区域定位的研究较少，主要存在设备复杂、不易部署、覆盖范围小等问题。Active Badge系统依靠分布的传感器节点来检测近距离内定位目标发射的红外线信号，实现了区域级别的定位，其网络为有线连接，且需布置大量传感节点。WALRUS系统使用PDA装置接收每个房间内PC机发射的超声波和无线电信号进行定位，应用时需相应PC支持且功耗大。文献[6]将接收信号强度值最大的基站所在区域作为定位结果，结果受环境影响有波动。文献[7]以ZigBee作为定位技术，在各房间入口和房间内设置两个定位锚节点，当同时接收到两者信号判断为进入房间，锚节点密度较大。

基于上述研究现状及问题，本文提出了Area-login定位方法，它具有以下特点：

1）单个区域只需布置1个分基站，降低了锚节点密度。

2）分基站使用强、弱两个收发机将定位和通信功能分离，每个弱收发机只覆盖一个较小的区域，因此分基站间重叠干扰影响减少，即使RSSI波动，定位位置也不会太大漂移。

3）分基站的定位范围不重叠，使得广播时通信量降低，定位计算量也因此降低。

4）分基站间无线连接，无需布线。强收发机无线范围相互覆盖，可保证与定位目标间的通信不中断，有利于扩展其它服务。

2 Area-login方法原理

Area-login方法的原理是将目标区域划分为多个较小的区域，通过连续识别定位目标在不同区域间的登入与登出，来判断其移动方向，实现区域定位。在小区域内布置1个分基站，分基站中包含强、弱两个无线收发机。强收发机负责与中心基站组建无线主干网络，并负责为弱收发机提供远距离通信中继服务；弱收发机输出功率较小，且接收灵敏度低于强收发机，使其无线覆盖范围较小，适用于小区域定位。当定位目标进入弱收发机覆盖区域内并继续靠近时，RSSI值升高。弱收发机将RSSI信息与定位目标身份信息通过强收发机转发到中心基站，并上传至服务器端定位引擎进行区域登入、登出运算，计算定位目标位置区域。

2.1 区域划分

区域划分由实际环境与定位精度要求共同决定，并且与收发机输出功率和接收灵敏度密切相关。

如图1所示，B为一个定位单元（即定位目标可移动的总体范围），可划分为多个小Area（区域），如图为Area1、Area2和Area3共三个区域。其中，在Area1和Area2中布置了分基站，此类区域具有外边界Bouter和内边界Binner两条边界线。外边界线是弱收发机的最大通信范围；内边界线是弱收发机的定位边界，界内即为一个独立的定位区域。各区域的内边界线不可交叉重叠。

图1 Area-login方法模型示意图Fig.1 Brief Model of the Area-login method

定义定位目标位于内、外边界处时RSSI稳态值分别为Rinner和Route（r实测获得），比值，当时，Bouter和Binner重合。

2.2 区域判决

定位目标在单个区域中登入、登出动作的判决规则如下：在最新的时间段T内，定位引擎共收到来自n个分基站的N条属于同一定位目标的定位帧，其中有M条帧来自区域i，且其中有m条RSSI值大于内边界阈值Rinner，称这样的m条帧均为有效帧。判决时，先判断该区域定位帧数量是否超过平均水平，结果用模[n*M/N]表示；若超过，再判断有效帧比例m/M是否高于预设门限K1（0＜K1＜1）。两条件同时满足则判定为定位目标登入该区域。

当定位目标上一时刻在该区域时，若这一时刻定位帧数量比例小于平均值或有效帧比值降低至小于另一预设门限K2（0＜K2＜1），则判定为登出该区域。登入判决优先于登出判决，而当登入、登出判决均不成立时，表示定位目标在此区域中无登入、登出动作发生（如在该区域停留或尚未进入区域内）。

由上述过程，对于给定区域，将定位目标动作判定归纳为功能函数F：

在两个Area之间的空白区，如图1中Area3，既可以新增一个或多个分基站进行划分，然后执行上述统计判决；此外，也可以结合现场环境，设置相应的判决规则表，如表1，当定位目标从Area1登出，而未登入Area2，则必登入Area3。

表1 预设判决规则表Tab.1 Table of predefined rules

2.3 定位过程

定位目标的移动过程可分解为连续在多个不同区域的登入登出动作，因此用“状态+动作=新状态”表示定位过程。如图2所示，定位程序对最新时间段内收到的定位帧的所属区域逐个作登入判决，一旦判决成立，立即更新为新状态。各区域登入均不成立时，对原区域作登出判决，若判决不成立，则定位目标位置不变，若判决成立，则查询预设判决规则表中的登出路径，作为新状态。依此循环，即可得到定位目标各时刻的位置状态。

图2 定位算法流程图Fig.2 Flowchart of the locating algorithm

定位时，有以下几种情况可特殊处理：当从原区域登出，但未判定登入其它区域，即图2中登出判决成立时，需分情况讨论。如图3(a)所示，若原区域i与其它区域j中间存在未部署分基站的区域时，则查询预设判决规则表中原区域的登出路径k，作为新登入的区域；若按理想情况两区域相切时，如图3(b)，定位结果应为两区域切点，在实际应用中可判断位于两区域交界处，如门、窗等出入口位置。

图3 区域关系图Fig.3 Area graph

当同时收到两个区域定位帧且比例相当，但登入、登出判决均不成立时（有效帧比例未超过门限），可判断定位目标已靠近两者交界处，以交界处作为定位结果。

运算过程中，还可利用各区域定位帧数量及RSSI的变化趋势判断定位目标的移动趋势，作为辅助定位手段。此外，当定位结果在两区域间频繁切换时，定位目标极可能在交界处附近移动，需加入滤波算法处理，本文暂不讨论。

Area-login方法具备可扩展性，单个定位单元中可包含多个Area，并可通过多个单元的扩展成一个更大的网络，实现更大范围的覆盖。

3 系统设计

本文基于Area-login方法在ZigBee平台上设计了一个演示系统。系统由定位引擎（PC）、中心基站、分基站和定位目标组成。定位目标周期性广播定位消息，该消息可被分基站和中心基站接收。分基站接收到的消息通过无线转发至中心基站，连同中心基站直接收到的消息一起通过网口上传至定位引擎计算定位目标的最新位置，并显示到图形界面。

3.1 系统硬件设计

图4 系统硬件框图Fig.4 Structure diagram of the hardware system

系统硬件组成如图4所示，中心基站、分基站和定位目标均采用TI公司CC2530作为主控芯片和无线收发芯片，功放芯片采用CC2591，串口服务器型号为USR-TCP232-24。其中，分基站中定位模块为弱收发机，通信模块为强收发机，两者通过串口相连。中心基站使用串口服务器将串口信号转换为网口信号与PC连接。系统选用ZigBee技术，延续了其低功耗特性。此外，对于定位目标，为进一步降低功耗，提高定位响应速度，可添加一个加速度传感器。根据定位目标速度的大小，自动调节定位周期，定位目标移动越快，则定位广播周期越短；而当定位目标几乎不移动时，可降低发射次数或进入低功耗睡眠模式，从而降低功耗。

3.2 系统软件设计

系统软件由嵌入式软件和PC软件组成。在底层，CC2530运行与ZigBee-2007协议兼容的 Z-Stak协议栈，组成MESH型无线网络，实现数据连通。定位时，定位目标广播半径为1跳。强收发机接收到广播后不处理，弱收发机接收到后提取信号强度RSSI、定位目标身份信息和定位序号，添加自身分基站号组装成帧，经串口传递给强收发机无线转发至中心基站。中心基站中串口服务器与定位引擎间的数据传输使用UDP连接。

后台PC中运行定位引擎程序，如图5所示。程序采用MATLAB GUI编写，可分为三层，底层为通信接口，负责接收定位帧；中层为服务层，用于定位数据库管理和定位运算；上层为应用层，将定位结果以图形方式显示（图中绿色区域表示人员所在位置区域），实现与用户的交互。定位算法按前述方法，流程不再赘述。

4 实验验证

为评估Area-Login定位方法，本文在一办公楼内搭建了一个验证系统。系统平面示意图如图5所示，在位置1处布置中心基站，在位置2、3、4处布置分基站。

实验方法：单人携带定位目标从门口位置0出发，依次进入2号、3号房间，后经位置1到达位置4，并原路返回到位置0，计为1次实验。途中可按正常速度行走或停留，共进行10次实验，使用秒表测量定位目标进入房间时定位引擎输出结果滞后的时间，并记录移动全程中出现定位错误的次数和持续时间（延迟除外），用以评估定位准确率。实验结果如表2所示，当判决函数式（1）的参数取值合适时，平均延迟为2.7s，定位准确率为100%。当参数不当，准确率将会有所下降，表现为位置跳变，在实验中也得以验证。

表2 区域定位测试结果（以进入房间3为例）Tab.2 Test result of latency and accuracy

图5 定位原型演示软件Fig.5 Demonstration software of the positioning prototype system

5 结论

本文提出了一种适用于区域级定位的Area-login定位方法，并进行了系统设计和实验验证，结果表明该方法算法简单，相互干扰小，定位可靠，且易于实现，能有效满足实际定位需求，可应用于校园、医院、办公楼、养老院、物流仓库等场所中人员、资产定位与实时跟踪。

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