基于RSSI的智能建筑物理定位与物联网的比较外文翻译资料

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基于RSSI的智能建筑物理定位与物联网的比较

Sebastian Sadowski和Petros Spachos，

Guelph大学工程学院，Guelph，ON，N1G 2W1，

加拿大电子邮箱：{ssadowsk，petros} @ uoguelph.ca

摘要: 在许多智能建筑应用中，能够准确跟踪目标对于向用户提供周围环境的知识非常重要。这可以使得能够开发出健壮且高效的工作空间，其可以用于改善使用它们的人的生活。全球定位系统（GPS）在用于室外系统时具有简单的实施和精确度，可达到五米。然而，能够在室内准确且有效地定位设备一直是智能建筑中的主要挑战。由于GPS不能在室内使用，因此需要能够精确跟踪目标的其他无线技术。在本文中，我们比较了三种常用的室内定位无线技术：Zigbee，BluetoothLowEnergy（BLE）和WiFi。这些技术在定位精度和功耗方面进行了比较。根据实验结果，WiFi是用于室内定位系统的最佳技术，其次是用.WiFi被发现具有最精确和精确的技术，平均误差为0.5183 m，方差为0.0979 m。然而，就功耗而言，使用216.71 mW的WiFi是最差的，而BLE是仅使用0.367 mW的最佳功率。

关键词: Zigbee;蓝牙低功耗;无线上网;室内定位;智能建筑。

1 绪论

物联网（IoT）正在推进一种新型的智能建筑。 可穿戴设备和信标等小型设备正在向中心站传送有关其周围环境的信息和传感器数据，以增加对其环境的了解。 为了利用所传递的信息，让集中式服务器知道设备的位置与它接收的数据一样重要。 在不知道设备的大致位置的情况下，所产生的信息变得无用并且其能量储备被浪费。 一旦设备知道其大致位置，它就可以与智能建筑中的其他设备共享该信息。 当智能建筑中的所有设备都知道它们的大致位置时，能够添加，移动或移除设备变得更容易，因为可以实时修改位置信息。 因此，本地化是迈向发展智能建筑的重要一步[1]。

本地化是确定设备位置的过程，使用算法利用可用信息计算位置。 由于大多数IoT设备的尺寸小，它们的硬件通常是有限的，因此，可用于本地化的可用信息量也是有限的。 大多数物联网设备都包含低电量

存储单元和基本通信功能。 为了使本地化算法成功，它们必须能够在利用它们包含的有限资源部署目标后运行。

存在许多用于确定设备位置的技术，最常见的方法涉及全球导航系统，例如全球定位系统（GPS）[2]。 然而，GPS在设备上实施起来很昂贵，需要大量的能量来运行，从而牺牲设备运行时间以获得精确的位置。 此外，GPS接收器需要卫星视线（LoS）才能正常工作，因此，对于室外定位，GPS能够提供设备的准确位置。 另一方面，当靠近障碍物或建筑物内部时，消除了卫星的LoS并且不能再使用GPS，因此需要应用其他定位技术。 因此，其他技术应该用于室内定位和跟踪系统。

无线技术可以缓解智能建筑中室内定位的问题。 大多数IoT设备具有至少一个无线通信单元并参与数据通信。 在本文中，通过实验，比较了Zigbee，蓝牙低功耗（BLE）和WiFi的精度和功耗，用于设计具有物联网设备的智能建筑的室内定位系统。 无线技术的选择基于它们在物联网设备中的受欢迎程度。 所有进行的测试均使用三边测量技术完成，其中RSSI值用于确定发射装置和接收器之间的近似距离。 本文的其余部分安排如下：相关工作在第II部分进行了审查，然后是第III部分中的系统说明。 第四部分讨论了实验方法和设置，以及第五部分的结果和讨论。第六部分总结了这项工作。

2 相关工作

近年来，相对于基于GPS的系统，基于RSSI的三边测量已经成为用于执行本地化的方法之一，其简单性，低复杂性和高精度[3]。 [4]中提出的系统使用基于Zigbee的RSSI和三边测量定位来监测医院的精神病人。 该系统证明是成功的，能够提高被跟踪患者的安全性，并且可以收集其他无法知晓的信息。 Zigbee被认为是该系统的理想选择，因为它提供了比其他无线技术更低的功耗，更高的精度和更远的监控范围。

在[5]中讨论了另一种基于Zigbee的系统，其中在室外和室内环境中进行三边测试以确定多径效应将如何影响精度。 结果显示，在户外，Zigbee的精度低于一米。 在室内时，由于多径效应，在RSSI读数中出现大的误差，结果变化很大。 通过在户外和室内进行测试，发现了一种更好的模型，用于试图更准确地将RSSI值与距离相关联。

在[6]中，提出了一种使用基于WiFi的三边测量系统。 结果证明，当由于信号干扰而在室内进行定位时，可能发生错误。 发现通过使用额外的参考点以更高的精度执行定位估计可以减少误差。 通过选择在计算中最优的参考点，可以实现更高的精度，因为可以忽略系统中具有较低分辨率的点。 在[7]中，使用RSSI开发了使用原型节点的系统，并使用BLE信标进行三边测量以执行定位。 结果表明，与其他类型的定位系统相比，该系统具有较高的平均精度。 BLE信标具有低功率要求，易于在多种环境中部署，同时还有太阳能信标[8]。

[9]中讨论的系统使用定制开发的Android应用程序来比较WiFi接入点和BLE信标，以便利用具有三边测量的RSSI进行本地化。 结果表明，与BLE相比，WiFi具有更高的定位精度。 显示BLE产生随时间变化很大的信号强度。 然而，由于低功耗和信标的易安装性，这使得BLE成为一个更简单的系统来设置本地化。 为了改善结果，建议使用更多数量的WiFi接入点来创建可用于本地化的附加信号。 在[10]中，研究了智能建筑中室内定位的BLE信标的性能。

在本文中，我们在准确性和功耗方面比较了Zigbee，BLE和WiFi的无线通信技术。 为了进行比较，在每种技术的测试中设计了原型系统。

3 系统总览

本节介绍系统规范，包括通信协议，以及用于每个本地化实验的硬件组件。 在图1中可以看到在执行实验中使用的所有发送设备的概述。如下图1为用于设置实验的设备， 从左到右依次是Arduino Uno系列2 2mW Wire XBee，Gimbal Series 10 Beacon，RaspBerry Pi 3 Model B.

图1：实验设备

1. Zigbee

Zigbee成本低，能源效率高，能够创建网状网络，是一种基于IEEE 802.15.4标准用于创建具有小天线的个人局域网[11]。 802.15.4标准使用具有冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA / CA）来控制通过网络的信息流并防止任何数据丢失。 Zigbee以其简单性和低功耗而闻名，提供安全的网络功能，低数据速率和更长的网络运行时间。

在创建Zigbee网络时，使用了2系列2mW线天线XBees。 XBee专为具有低延迟要求的高吞吐量应用而设计，是一种易于使用的设备，可以快速创建多点Zigbee网络。 由于XBees本身的处理能力有限，因此需要一个微控制器来控制信息流。 选择的微控制器是Arduino Uno，因为它易于与XBee集成并具有低功耗要求。

1. 蓝牙低功耗

BLE专注于超低功耗，同时保持与传统蓝牙类似的通信范围[12]。自引入技术以来已经创建的一种类型的设备是已知的信标。信标是小型，廉价且完全无线的发送设备。它们通过传输实现ApplesiBeacon [13]或GooglesEddystone [14]协议结构的数据包来工作。

对于BLE实验，Gimbal系列10 Beacons被用作发射装置。出于实验目的，万向节信标是用Apple的iBeacon协议配置的。 iBeacon数据包结构定义了三个不同的字段。第一个是通用唯一标识符（UUID），一个16字节的字段，用于标识一组信标。第二和第三个字段分别是主要和次要值。两个字段都是2字节宽，通常用于进一步区分各个信标[13]。这些字段中的每一个都可由应用程序开发人员为其自身目的进行配置。

在实验中，每个信标都设置有共享的UUID和它们自己唯一的主要和次要值。该接收设备是运行Android 6.0.1的Google Nexus 5智能手机。 Nexus 5运行了一个名为Beacon Scanner的开源Android应用程序。 该应用程序允许读取附近任何信标的原始RSSI值。

表I：无线通信技术的共同传输范围

（3） WiFi

WiFi是一种常用于创建无线局域网（WLAN）的无线技术[15]。 要连接WLAN，需要无线接入点。 由于使用WiFi时的安全问题，需要采取额外措施来保护连接到网络的用户。 与有线网络相比，采取额外的预防措施通常会导致速度变慢，因为需要加密传输以防止来自接入点范围内任何人的不必要的访问。 因此，由于其大的数据传输速率以及该技术的可能用途，WiFi具有比Zigbee和BLE更大的安全性问题。

为了使用WiFi创建WLAN，使用了Raspberry Pi 3 Model B. 该设备包含集成的WiFi天线，因此可以创建简单的WLAN。 为了建立WiFi实验，发射器被配置为广播信号，并且接收器设置为连续轮询其WiFi天线以获得任何所需信号。

1. 无线技术的比较

当比较无线技术之间的差异时，传输范围是需要考虑的重要因素。 通过利用具有更宽传输范围的技术，为了覆盖相同区域将需要更少的设备，因此，实现的系统的成本将降低。 所测试技术的最常见传输范围可以在表I中看到。注意，由于传输范围受传输功率，天线类型和位置等因素的限制，因此预期范围可能因设备类型而有很大差异。 那是用的。

根据发现的值，Zigbee具有最高的传输范围，能够达到100米的距离。 WiFi是次高的，通常传输70米的距离。 最后，BLE具有所有测试技术中最低的传输范围，能够达到60米的距离。

4 方法和实验设置

在本节中，描述了用于从不同设备获取位置信息的方法，然后是实验的设置。

图2：三边测量设置

1. 方法

要在确定位置时使用三边测量，需要四个设备：三个发射器和一个接收器。当使用三边测量计算时，需要发射器的位置以及从每个发射器到接收器的距离。前者需要手动测量来确定，后者使用RSSI测量。通过利用来自接收信号的RSSI值以及路径损耗模型[16]，可以找到发射器和接收器之间的近似距离。对于三边测量，遵循[3]中的类似方法。

图2概述了使用三边测量计算设备的设置。根据p，q，r，x和y坐标放置节点。 p是节点A和B之间沿x轴的距离。 q和r分别是沿着x和y轴的节点A和C之间的距离。而x和y分别是沿着x和y轴的节点A和D之间的距离。沿着这些位置移动节点并记录坐标。

1. 实验设置

为了在用于室内定位时对Zigbee，BLE和WiFi进行准确比较，进行了一组相同的测试，其中来自环境的最小干扰会影响结果。 出于测试目的，使用了一个5.6米乘5.9米的会议室，如图3所示，其中只包含桌椅。 在进行实验时，没有人进入房间。 由于RSSI值容易受到干扰，并且不可能移除所有可能产生任何噪声的设备，因此在晚上进行了实验，以确保存在恒定的干扰水平，这将同等地影响所有测试。 在测试过程中，节点被放置在桌子上，以模拟与携带智能手机放在口袋中的个人共同的高度，或者佩戴智能设备。

图3：实验环境

为了进行相同的测试，所有发射设备都配置了-10 dBm的发射功率电平和0.5秒的发射间隔。选择-10 dBm的发射功率是因为XBees和信标都包含可为设备定制的设置级别列表。两个器件都包含-10 dBm作为可配置值之一，因此，将允许执行相同的测试集。 Raspberry Pi 3没有受到相同的限制，可以使用发射功率进行编程。

选择0.5秒的发送间隔是因为它是Gimbal Series 10 Beacons可定制的选项之一。在进行室内定位时，实时系统需要快速的周转时间，因此，传输时间越快，位置信息的计算和更新速度就越快。如果系统太慢，则对象看起来会在实时定位系统中不理想的环境中跳跃位置。因此，0.5秒被认为是理想的发送间隔。使用的其他设备是微控制器，并且没有受到相同的限制，因此，可以为所有设备选择0.5秒的时间。

由于Arduino Unos和Raspberry Pis需要外部电源才能运行，因此USB电缆连接到墙壁插座以为设备供电。信标没有像使用电池那样遭受同样的问题。

5 实验结果与讨论

本节描述了所使用的路径损耗模型，然后是实验结果，并讨论了实验中的有用见解。

（1）路径损失模型

在可以进行任何实验之前，需要获得每个系统的路径损耗模型。 为每个系统创建的模型可以在图4中看到，并且从模型中找到的路径损耗指数，n，常数，C和确定系数R2的值可以在表III中看到。

对于每个系统，将单个发射器和接收器放置在0到5米之间的位置并记录RSSI值。在0和1米之间，每0.1米处取9个点。 在1至5米之间，每0.5米拍摄另外9个点。 在找到所有值之后，绘制distancevs.RSSI，然后使用Matlab的曲线拟合函数，可以将路径损耗模型与数据相匹配并确定模型。

图4：测试环境的曲线拟合模型

1. 实验结果

总共，对每个系统进行了11次实验，以确定哪些系统具有基于所进行的测试的最高准确度。 在每个测试中，记录所有节点的位置以及来自每个相应发射器的测量RSSI值。 对于所执行的每个实验，每个无线技术的接收器的实际和估计位置以

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