工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)定位研究

鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院 李銳君 董素鴿

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工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)定位研究

鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院 李銳君 董素鴿

【摘要】針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，首先利用基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)虛擬令牌控制的MAC協(xié)議，采用接收信號強(qiáng)度多次測距的雙曲線定位算法提出適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的定位模型。最后在硬件平臺上實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位，并通過定位監(jiān)控軟件對節(jié)點(diǎn)的定位運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控顯示定位效果能滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的要求，且工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議嵌入定位后運(yùn)行穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；定位模型；雙曲線定位；實(shí)時(shí)監(jiān)控

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)測控領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了極大的關(guān)注［1～2］。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（ Industrial Internet of Things）是一種在數(shù)據(jù)鏈路層利用令牌機(jī)制實(shí)現(xiàn)具有實(shí)時(shí)通信傳輸功能的網(wǎng)絡(luò)，用于完成工廠車間層的自動(dòng)化控制系統(tǒng)［3］。針對工廠車間層移動(dòng)對象的定位問題研究可以為其路由算法優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)管理以及覆蓋率評估提供很大的幫助，并且節(jié)點(diǎn)的協(xié)同休眠以及監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)信息也需要定位技術(shù)［3］，因此工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)成為了其研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。

論文工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議嵌入由錨節(jié)點(diǎn)基于信號場強(qiáng)測距和雙曲線數(shù)學(xué)模型的定位算法，提出適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)定位模型，并通過定位監(jiān)控軟件對節(jié)點(diǎn)定位的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控顯示定位效果能滿足無線物聯(lián)網(wǎng)的要求，而且工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在嵌入定位后運(yùn)行穩(wěn)定。

1 節(jié)點(diǎn)定位

1.1 定位算法

根據(jù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)定位算法須滿足以下條件：①計(jì)算量不能太復(fù)雜；②增加的設(shè)備給系統(tǒng)的影響最小或者不增加外部硬件設(shè)備；③低功耗。利用基于信號強(qiáng)度的三邊測量法［4］，可以得到方程式（1），設(shè)方程中三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)Ri的坐標(biāo)為（xi，yi），未知定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y），錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離為di為：

考慮到在相同的無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，由多徑衰落引起的誤差具有相同的反射體而具有相關(guān)性，從而兩個(gè)接收信號強(qiáng)度RSSI值中，誤差是非常相似的。令di，1為未知節(jié)點(diǎn)與第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)距離差，得到式（2）。

在幾何上，式（2）表現(xiàn)為一條雙曲線，i為不同值時(shí)，式（2）成為方程組，若到達(dá)錨節(jié)點(diǎn)的信號為視距傳輸且沒有測量誤差，那么所有的雙曲線將交同一點(diǎn)，即目標(biāo)Tag節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y），求解該方程組即能獲得未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。

由式（2）得：

式（3）即是式（1）的平方：

而：

式（4）減式（5）可得：

把x，y看作未知量，求解線性方程組（6）就能獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)Tag的估計(jì)位置。

為簡單計(jì)算，將三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)置于如下坐標(biāo)系統(tǒng)：

則：

式（6）可以簡化為：

式（7）減式（8）然后消去d1可得，可得簡化結(jié)果：

其中：

其中：

將（11）式代入（9）式中，即可以得到未知節(jié)點(diǎn)的位置（x，y）。

1.2 定位模型

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的定位模型如圖1所示，假設(shè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)中有主站Sink節(jié)點(diǎn)和7個(gè)從站。7個(gè)從站包括1個(gè)需定位的待測節(jié)點(diǎn)Tag、3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)（R1、R2、R3）和3個(gè)一般節(jié)點(diǎn)（N1、N2、N3）。

圖1 定位模型

首先主從站點(diǎn)按照工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基于虛擬令牌控制的MAC協(xié)議建立邏輯環(huán)，其中邏輯環(huán)如圖1中連接各站點(diǎn)的帶一端箭頭的黑色實(shí)線所構(gòu)成的封閉曲線。

圖2 定位實(shí)現(xiàn)流程

當(dāng)待測節(jié)點(diǎn)Tag有定位請求時(shí)，Tag廣播定位測距幀Solicit_Pos；各錨節(jié)點(diǎn)偵聽到定位測距幀Solicit_Pos立即分別獲取并記錄相關(guān)的定位信息，然后分別在獲得令牌時(shí)通過發(fā)送單播定位信息數(shù)據(jù)包Pos_Pkt將各自記錄的定位信息傳送給Sink節(jié)點(diǎn)，從而完成測距過程。

主站Sink通過串口UART將收集到的定位相關(guān)信息交付給PC定位中心。PC定位中心依據(jù)錨節(jié)點(diǎn)的已知坐標(biāo)位置，并根據(jù)雙曲線定位算法進(jìn)行計(jì)算處理，從而得到估計(jì)位置，完成對待測節(jié)點(diǎn)的定位。

2 定位的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)Sink同時(shí)也是錨節(jié)點(diǎn)1；另外兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)Reader分別是節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3；1個(gè)待定位Tag是節(jié)點(diǎn)4；節(jié)點(diǎn)5和6是一般節(jié)點(diǎn)Node，定位實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

定位監(jiān)控視圖如圖3所示，從圖3上方的Location Info信息欄，可看到待測節(jié)點(diǎn)Tag在定位過程中，三個(gè)已知位置的錨節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集信號強(qiáng)度值以及定位處理得到的Tag估算坐標(biāo)等相關(guān)信息由此實(shí)現(xiàn)了定位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議嵌入定位后的實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)曲線如圖4所示，根據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，通過解析獲得節(jié)點(diǎn)所在位置的光強(qiáng)信息，然后用動(dòng)態(tài)曲線描繪出來，不同節(jié)點(diǎn)的曲線用不同的顏色標(biāo)示。從圖中可看出，定位功能的加入不影響傳感器數(shù)據(jù)的采集，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議運(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

該定位算法無需向系統(tǒng)中添加任何定位測量的專用設(shè)備，只需利用預(yù)先配置好的錨節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控顯示定位效果能滿足工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)的要求，并且工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議嵌入定位后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖3 定位監(jiān)控視圖

圖4 嵌入定位的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：河南省科技廳2015年重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（No.152102210344）， 河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（16A510033）。

作者簡介：

李銳君（1982－），女，河南周口人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

董素鴿（1983－），女，碩士，講師，主要研究微電子技術(shù)。