司徒瑩，劉 美

（1.廣東石油化工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，茂名 525000；2.廣東石油化工學(xué)院 教務(wù)處，茂名 525000）

某些含危險(xiǎn)性的生產(chǎn)過(guò)程的企業(yè)，如石化企業(yè)，基于安全需要對(duì)廠區(qū)內(nèi)或有毒環(huán)境中的員工實(shí)現(xiàn)定位，目前，大部分企業(yè)在這方面缺乏先進(jìn)、有效的方法。因此對(duì)生產(chǎn)廠區(qū)的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位、監(jiān)測(cè)，是解決企業(yè)安全監(jiān)控的關(guān)鍵問題。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）由大量成本低、體積小、電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，具有檢測(cè)、計(jì)算、能量存儲(chǔ)、帶寬資源受限制等特點(diǎn)[1-2]。WSN節(jié)點(diǎn)無(wú)需固定基礎(chǔ)設(shè)施支持和人工維護(hù)，能實(shí)現(xiàn)快速部署、自組織、自配置，故已成功應(yīng)用于生產(chǎn)安全防護(hù)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了多級(jí)安全儀表系統(tǒng)及各級(jí)聯(lián)鎖觸發(fā)條件，優(yōu)化了現(xiàn)場(chǎng)高危工段的監(jiān)控、報(bào)警、聯(lián)鎖方式；文獻(xiàn)[4]提出了融合WSN、GPRS和Internet的智能化監(jiān)控系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5-9]則用WSN實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的濃度或氣體泄漏的監(jiān)控。以上文獻(xiàn)的研究均致力于生產(chǎn)重要過(guò)程和環(huán)境監(jiān)控，在廠區(qū)內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)定位、監(jiān)控方面尚未有相關(guān)研究成果。

本文基于CC2431芯片搭建定位硬件系統(tǒng)，利用改進(jìn)的DV-Hop算法，模擬在企業(yè)廠區(qū)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位。由于CC2431體積小、定位精度較高、能完成大部分定位算法、價(jià)格相對(duì)便宜、適于隨身佩戴，加之改進(jìn)的DV-Hop算法可以在一定程度上提高定位精度和抗擾能力，適于在多管線、多信號(hào)的生產(chǎn)廠區(qū)中使用。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便實(shí)用、具有一定的精度，基本滿足企業(yè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控的要求。

1 硬件構(gòu)成

1.1 硬件平臺(tái)

廠區(qū)定位主要考慮2個(gè)方面，一是應(yīng)當(dāng)有較高的精度，二是廠區(qū)的生產(chǎn)環(huán)境會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生一定的影響。因此，我們擬采用CC2430和CC2431構(gòu)成硬件平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)硬件平臺(tái)Fig.1 Hardware of positioning system

定位系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，各部分的作用為

計(jì)算機(jī)通過(guò)協(xié)調(diào)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，在前期起到一個(gè)操作平臺(tái)的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的編程和程序的下載，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)的配置，后期起到監(jiān)控的作用，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置。

網(wǎng)關(guān)及協(xié)調(diào)器作為組建一個(gè)ZigBee WSN網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)分析上位機(jī)發(fā)出的對(duì)各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)配置的信息，隨之將這些配置信息傳送給對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，而且，還要向各個(gè)節(jié)點(diǎn)提出請(qǐng)求返回信息的指令，收到反饋的數(shù)據(jù)后將這些有效數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，由監(jiān)控軟件來(lái)表達(dá)收到的信息。

參考節(jié)點(diǎn)采用CC2430作為參考節(jié)點(diǎn)，起到一個(gè)位置的參考作用。它的放置位置和坐標(biāo)的配置由用戶決定，為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供位置參考，將坐標(biāo)值和收到的RSSI值提供給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)64 m×64 m的范圍內(nèi)，要達(dá)到精準(zhǔn)度定位，一般需要8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，最少也需要3個(gè)或者4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)才能達(dá)到定位的效果。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)即我們需要確定其坐標(biāo)位置的節(jié)點(diǎn)，選用CC2431。它與參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其內(nèi)部攜帶定位引擎，當(dāng)收到參考節(jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的坐標(biāo)信息和最終發(fā)送來(lái)的RSSI平均值，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出自身的位置坐標(biāo)，并且體積較小，滿足人員定位可穿戴設(shè)備體積小的要求。

按無(wú)線通信功能和輔助功能，硬件電路分為2個(gè)部分。無(wú)線通信模塊的作用是為節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的通信提供收發(fā)接口。輔助功能模塊有供電、定位狀態(tài)指示、USB通信等輔助功能，它通過(guò)USB to TTL轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)交換，具體組成如圖2所示。

圖2 硬件組成Fig.2 Hardware composition diagram

1.2 整體通訊流程

該定位系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器先以廣播的方式向所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求信息，之后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向參考節(jié)點(diǎn)以廣播的形式發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包包含RSSI值和其他數(shù)據(jù)信息，其中包括設(shè)定跳數(shù)為1，使接收到這一數(shù)據(jù)包的參考節(jié)點(diǎn)都在一跳范圍內(nèi)。一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)接收到 RSSI Blast信號(hào)后，記錄該盲節(jié)點(diǎn)的RSSI值，并做適當(dāng)預(yù)處理（高斯概率模型處理、多位標(biāo)度等）[10]。參考節(jié)點(diǎn)接收到盲節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包之后，按其包含的請(qǐng)求命令的要求，將所需要的參數(shù)返回給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其中包括RSSI的平均值和自身的坐標(biāo)位置。最后盲節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)則（例如，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包按照RSSI大小排序，從中選擇最大的3個(gè)，這樣保證盲節(jié)點(diǎn)的周圍存在3個(gè)最強(qiáng)參考節(jié)點(diǎn)）將數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[11]。整個(gè)定位通訊流程如圖3所示。

2 定位算法研究與改進(jìn)

2.1 算法改進(jìn)的主要思想

節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，是WSN中的關(guān)鍵技術(shù)，可靠有效的定位對(duì)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)、跟蹤和路由器效率的提高都具有非常重要的意義[12]。

圖3 定位系統(tǒng)通訊流程Fig.3 Communication flow chart of pos itioning system

DV-Hop（distance vector-hop）算法是節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中非常常用的一種算法，是美國(guó)的學(xué)者通過(guò)不斷實(shí)踐研究出來(lái)的一種分布式算法[13]。該算法比較依賴于多跳信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中。DV-Hop定位算法的基本思想為未知節(jié)點(diǎn)先計(jì)算出與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù)，再估算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的平均跳距，用平均跳距乘以最小的跳數(shù)，可以求出未知節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的估計(jì)距離，最后用相關(guān)公式來(lái)求得未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)[14]。該算法操作簡(jiǎn)單，能量損耗較小，受環(huán)境的影響小，更適于廠區(qū)定位使用。但傳統(tǒng)的DV-Hop定位算法，未知節(jié)點(diǎn)要能定位的要求是要知道3個(gè)或者3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以上的距離。但在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布的，所以造成有些未知節(jié)點(diǎn)根本就沒有足夠的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來(lái)相連通，這樣就會(huì)造成測(cè)出來(lái)的定位精度不高，定位誤差較大。所以，筆者在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展和進(jìn)行區(qū)域劃分，以提高定位精度。在定位過(guò)程，還應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦黾幽軌騾⑴c定位的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，也可以把在附近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)很多的未知節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，然后讓它參與到下一個(gè)階段的定位，把定位量減到最少，達(dá)到改進(jìn)定位精度的效果。改進(jìn)DV-Hop算法的流程如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的DV-Hop算法程序流程Fig.4 Program flow chart of improved DV-Hop algorithm

2.2 算法仿真

首先設(shè)置仿真參數(shù)：正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)設(shè)置為100 m×100 m，區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)設(shè)置為250個(gè)，其中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)為25個(gè)，未知節(jié)點(diǎn)數(shù)為225個(gè)，節(jié)點(diǎn)的通信半徑均為R=60 m，仿真結(jié)果隨機(jī)生成。利用Matlab進(jìn)行仿真，生成的隨機(jī)的節(jié)點(diǎn)分布圖以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位誤差如圖5所示?？梢缘贸銎骄ㄎ徽`差為36.4927，定位精度有待改進(jìn)。同樣仿真條件下，利用改進(jìn)后的仿真算法進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示，平均定位誤差降至10.494。

圖5 改進(jìn)前仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result before improvement

圖6 改進(jìn)后仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result after improvement

可見，相比原來(lái)的算法，改進(jìn)的DV-Hop算法在定位精度和覆蓋率方面都有較大的提高，隨著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)比率的增加，平均誤差較原算法下降更明顯，如圖7所示。

圖7 DV-Hop算法改進(jìn)前后信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)與平均定位誤差關(guān)系對(duì)比Fig.7 Comparison of beacon node numbers and average error before and after improvement

3 系統(tǒng)搭建與試驗(yàn)驗(yàn)證

依前所述構(gòu)建硬件系統(tǒng)，選取信標(biāo)節(jié)點(diǎn)8個(gè)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)1個(gè)，試驗(yàn)在一個(gè)6 m×6 m的試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)隨機(jī)放置，分別標(biāo)記為R1～R8，有一任意移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并在室內(nèi)模擬通過(guò)電信號(hào)與氣信號(hào)管線。對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，共選取5個(gè)移動(dòng)位置，定位結(jié)果如表1所示。

表1 模擬定位測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of simulation positioning

該測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的定位精度，符合廠區(qū)定位基本要求。當(dāng)然，定位過(guò)程仍有一些細(xì)節(jié)問題尚待解決，例如網(wǎng)絡(luò)的通信量等，這也是今后無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中的一個(gè)研究方向。

4 結(jié)語(yǔ)

WSN是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，它已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，在越來(lái)越多的領(lǐng)域里，將會(huì)發(fā)揮主導(dǎo)作用。本文根據(jù)實(shí)際需求，研究了基于WSN構(gòu)建成的二維的室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng)。利用CC2430及2431構(gòu)成定位平臺(tái)，加之對(duì)DV-Hop算法進(jìn)行改進(jìn)，在定位精度、抗擾性上均有不同程度的提高。上述試驗(yàn)及仿真結(jié)果表明，在相同的條件下，改進(jìn)的DV-Hop算法在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的誤差、相對(duì)定位誤差、平均定位誤差等方面比原來(lái)的算法明顯降低，這就可以說(shuō)明DV-Hop算法改進(jìn)后定位精度提高了，性能方面優(yōu)于原來(lái)的算法。而所搭建的硬件系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，有較高的定位精度。整個(gè)定位系統(tǒng)無(wú)論從定位精度、實(shí)用性以及造價(jià)上均滿足廠區(qū)移動(dòng)人員定位的需求。在后續(xù)的研究中，我們還會(huì)繼續(xù)致力于定位算法的優(yōu)化研究，加強(qiáng)定位的實(shí)時(shí)性，并實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)與企業(yè)管理軟件的通訊對(duì)接，進(jìn)一步提高定位精度和實(shí)用性。

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