基于Zig Bee定位的鐵鞋監(jiān)測系統(tǒng)

鄭云水，常樹賢，成利剛

(蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

0 引言

防溜鐵鞋是鐵路運(yùn)輸部門防止停留車輛溜逸而設(shè)置在鋼軌與車輪間的固定裝置。《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(2006年10月版)第242條明確規(guī)定:線路上停留車輛，在不作業(yè)時，應(yīng)以鐵鞋等防溜裝置牢靠固定［1］。隨著鐵路六次提速和生產(chǎn)力布局的調(diào)整，站段的管轄區(qū)域比以前大大拓寬，作業(yè)面分散、點(diǎn)多線長，鐵鞋作業(yè)量巨大。當(dāng)前的作業(yè)辦法主要依靠操作人員的互控、頻繁的現(xiàn)場察看來確保鐵鞋狀態(tài)完好，這種辦法主觀因素較多，作業(yè)隨意性大，實(shí)際作業(yè)流程與作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)，安全隱患隨處可見，因鐵鞋裝或卸的誤操作導(dǎo)致的車輛溜逸、鐵鞋被盜、脫軌掉道等事故時常發(fā)生。如何有效地管理和使用好鐵鞋是一個安全問題。

中南大學(xué)的宋立志、張丹婷在《基于無線通信的智能防溜鐵鞋系統(tǒng)設(shè)計》中介紹了基于無線通信的全自動智能防溜鐵鞋系統(tǒng)，通過信號臺與主控監(jiān)測裝置的串口連接，主控監(jiān)測裝置與工作人員中介通信模塊的無線通信連接，中介通信模塊與鐵鞋信號模塊的無線通信連接，鐵鞋信號模塊與主控監(jiān)測裝置的無線通信連接等一系列的循環(huán)連接實(shí)現(xiàn)全自動遠(yuǎn)程控制功能，利用無線收發(fā)芯片nRF401作為無線收發(fā)控制電路的核心，再通過壓力傳感器的靈敏感知和鐵鞋自鎖實(shí)現(xiàn)安全操作的目的［2］。雖然此系統(tǒng)解決了當(dāng)前鐵鞋存在的不足，但不知道無線傳感器節(jié)點(diǎn)(鐵鞋)的位置而感知的數(shù)據(jù)是無意義的。因此，本文采用當(dāng)前應(yīng)用廣泛的Zig Bee技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的優(yōu)勢［3，4］，設(shè)計一種新型的基于Zig Bee定位技術(shù)的鐵鞋監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架

在本設(shè)計中，為了達(dá)到對鐵鞋的位置和狀態(tài)實(shí)行實(shí)時的監(jiān)控，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程通信與控制、存儲管理等功能。主要結(jié)構(gòu)劃分為室外定位監(jiān)測系統(tǒng)和中心機(jī)房監(jiān)控管理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 鐵鞋定位監(jiān)控系統(tǒng)的框架Fig 1 Framework of iron shoes positioning monitoring system

1.1 室外定位監(jiān)測系統(tǒng)

定位監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、定位參考節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)組成。本設(shè)計采用CC2430/CC2431單片機(jī)作為無線通信定位主控芯片。

協(xié)調(diào)器和定位參考節(jié)點(diǎn)采用相同的硬件設(shè)備，由電源管理模塊和Zig Bee無線通信模塊組成。Zig Bee無線通信模塊采用TI公司的Zig Bee SOC射頻芯片CC2430，其高性能8051內(nèi)核和2.4GHz無線模塊可以方便地從軟件和硬件上實(shí)現(xiàn)Zig Bee協(xié)議。協(xié)調(diào)器是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，協(xié)調(diào)器建立和維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)，并與控制臺通過線纜相連實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場和室內(nèi)的通信。

移動終端是安裝在鐵鞋上，Zig Bee無線通信、定位及信息處理采用TI公司的Zig Bee SOC射頻芯片CC2431。CC2431內(nèi)置硬件定位引擎實(shí)現(xiàn)自定位，自動將計算得到的位置坐標(biāo)和鐵鞋身上的位移傳感器采集的信息通過Zig Bee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳。

1.2 機(jī)房監(jiān)控管理系統(tǒng)

室內(nèi)監(jiān)控管理系統(tǒng)是為鐵鞋管理人員提供一個良好的管理平臺，系統(tǒng)的主要功能包括對鐵鞋操作人員的管理和鐵鞋的管理。對于鐵鞋工作人員進(jìn)行管理，設(shè)置其權(quán)限，使責(zé)任到人，可獲知操作人員的具體操作，主要對工作人員領(lǐng)鞋、放鞋、取鞋、還鞋進(jìn)行管理;鐵鞋的管理有鐵鞋編號、鐵鞋的報警以及鐵鞋在現(xiàn)場位置的實(shí)時顯示，并且對報警鐵鞋信息進(jìn)行查詢和處理，以及對鐵鞋的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

2 定位算法

傳感網(wǎng)絡(luò)定位通常是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置的有限個已知位置的節(jié)點(diǎn)，通過這些節(jié)點(diǎn)的位置和與其他節(jié)點(diǎn)的交互信息，采用不同的方法對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位?；跍y距定位方法的實(shí)現(xiàn)通常包括測距和節(jié)點(diǎn)定位2個過程［5］。為了提高定位的精度，本文采用基于接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)的距離修正算法［6］，利用最小二乘法對精度進(jìn)行修正，采用三邊測距法估計出盲節(jié)點(diǎn)的位置。

2.1 RSSI測距的實(shí)現(xiàn)原理

基于RSSI的測距技術(shù)是利用無線電信號隨距離增大而有規(guī)律地衰減的原理來測量節(jié)點(diǎn)間的距離的。接收信號強(qiáng)度RSSI與傳輸距離d的關(guān)系如下所示

式中 n為信號傳播常數(shù)，也叫傳播系數(shù);d為與發(fā)送者的距離;A為距發(fā)送者1m時的信號強(qiáng)度。測距精度的高低受到n與A實(shí)際取值大小的影響較大。A是一個經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可以通過測量距離發(fā)送者1m處的RSSI值得到。n是用來描述信號強(qiáng)度隨距離增加而遞減的參量，n的大小依賴具體的環(huán)境。為了得到最優(yōu)的n值，可以先放置好所有的參考節(jié)點(diǎn)，然后嘗試用不同的n_index值找到最適合這個具體環(huán)境的n值。

2.2 最小二乘法修正距離

從式(1)可以看出:如果知道參考節(jié)點(diǎn)與盲節(jié)點(diǎn)之間的RSSI值，則可以估算出2個節(jié)點(diǎn)之間的距離。然而不同的環(huán)境下可能存在不同的信號干擾，采用節(jié)點(diǎn)之間的RSSI值估算距離必然存在一定的誤差。這時可以根據(jù)特定的環(huán)境對測量到的距離采用傳統(tǒng)的最小二乘法進(jìn)行修正。得到修正后的距離，從而可以更加精確地估算出盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。具體步驟如下:

1)根據(jù)實(shí)際情況布置好節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)(Mi，Ni)與盲節(jié)點(diǎn)(Mj，Nj)的位置坐標(biāo)均已知?？梢愿鶕?jù) xi=得到實(shí)際節(jié)點(diǎn)之間的距離。

2)根據(jù)式(1)估算出盲節(jié)點(diǎn)與各個參考節(jié)點(diǎn)之間的距離yi。

3)采用最小二乘法擬合實(shí)際距離xi與估計距離yi的關(guān)系。假設(shè)兩者之間的關(guān)系為yi=axi+b，為了使所有數(shù)據(jù)偏差的平方和尺可能小，假設(shè)可以把R2看作自變量a和b的二元函數(shù)，要使得R2最小，分別對自變量求導(dǎo)，令其等于0

于是，變量a和b可以通過式(2)與式(3)求出

根據(jù)得到的a與b的值可以擬合出修正距離與估計距離的關(guān)系Y修=a×X估+b，結(jié)合式(1)可以得到

4)布置盲節(jié)點(diǎn)，通過式(1)估計盲節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離x，通過第3步擬合好的修正距離與估計距離之間的關(guān)系修正估計距離，得到修正的距離Y修。

2.3 盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)估計

選擇3個接收信號強(qiáng)度最強(qiáng)的參考節(jié)點(diǎn)，采用三邊測量法估計出盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。假設(shè)3個參考節(jié)點(diǎn)A，B，C的坐標(biāo)分別為(ma，na)，(mb，nb)，(mc，nc)，盲節(jié)點(diǎn) E 的坐標(biāo)(m，n)未知。通過2.2節(jié)中4個步驟得到盲節(jié)點(diǎn)與3個參考節(jié)點(diǎn)的修正距離分別為da，db，dc，則根據(jù)兩點(diǎn)之間的距離公式可以得到式

展開并化簡，可得到盲節(jié)點(diǎn)E的坐標(biāo)(m，n)，如式(6)所示

3 軟件設(shè)計

在鐵鞋定位監(jiān)測系統(tǒng)中，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息管理與監(jiān)控軟件運(yùn)行在Windows 2000等操作系統(tǒng)下，采用Visual C++6.0開發(fā)工具，并結(jié)合控件程序開發(fā)代碼進(jìn)行串行通信程序的編寫，同時，將上傳到地面監(jiān)控數(shù)據(jù)信息存儲在SQL server 2005數(shù)據(jù)庫中。圖2所示為下位機(jī)和上位機(jī)的軟件設(shè)計流程圖。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖Fig 2 Flow chart of system software design

4 鐵鞋位置信息實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證修改后能滿足鐵鞋定位的需求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并把估計位置與實(shí)際位置進(jìn)行比對，對估計位置和誤差進(jìn)行分析和比較。

在樓頂上選擇一塊40 m×40 m的開闊環(huán)境，布置8個參考節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為(0，0 m)，(0，20 m)，(0，40 m)，(20，0 m)，(20，40 m)，(40，0 m)，(40，20 m)，(40，40 m)，每個節(jié)點(diǎn)的實(shí)際發(fā)射功率與硬件制作、電池電量等因素有關(guān)，所以，定位參數(shù)A與n值要經(jīng)過各參考節(jié)點(diǎn)附近測量后再經(jīng)過平均方差計算得到。本實(shí)驗(yàn)中A=41，n=2.3，結(jié)果如表1。從測試結(jié)果可以看出:定位誤差小于0.5 m，開闊環(huán)境下的定位精度誤差比較小，能夠滿足現(xiàn)場的需求。

表1 室外定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab 1 Experimental results of outdoor positioning

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于Zig Bee通信定位的鐵鞋定位監(jiān)測系統(tǒng)，分析了Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)通信與定位技術(shù)的原理，對RSSI信號衰減模型中測量的距離進(jìn)行最小二乘法修正，并在室內(nèi)、室外進(jìn)行了實(shí)地的定位測量分析。實(shí)驗(yàn)證明了Zig Bee通信與定位技術(shù)在鐵路現(xiàn)場運(yùn)用于現(xiàn)場的可行性，具有較強(qiáng)的實(shí)用價值。

［1］陸書齋.鐵路技術(shù)管理規(guī)程［M］.北京:華中科技出版社，2008.

［2］宋立志，張丹婷，董 婷，等.基于無線通信的智能防溜鐵鞋系統(tǒng)設(shè)計［J］.硅谷，2010(14):74-75.

［3］李文仲，段朝玉.Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［4］馬 鋼.基于Zig Bee的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［5］劉文娟.基于RSSI測距的WSNs定位系統(tǒng)設(shè)計［D］.大連:大連理工大學(xué)，2010.

［6］陳昌祥，達(dá) 維，周 沽.基于RSSI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)距離修正定位算法［J］.通信技術(shù)，2011(2):65-66.