基于物聯(lián)傳感網(wǎng)的抽水蓄能電站ToA室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章結(jié)合抽水蓄能水電站的實(shí)際情況，重點(diǎn)對傳感網(wǎng)絡(luò)接入方式、傳輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成以及傳輸網(wǎng)絡(luò)的多跳級聯(lián)進(jìn)行闡述。我們首先提出了基于接收信號強(qiáng)度指示指標(biāo)RSSI對所有測距的結(jié)果進(jìn)行排序過濾，然后對信號強(qiáng)度越高的測距結(jié)果分配越高的計(jì)算權(quán)重，其對定位結(jié)果的影響越大，并且通過增加定位基站的數(shù)量來彌補(bǔ)電磁干擾的影響，最后對每個特定的定位基站進(jìn)行有效測距距離。經(jīng)過優(yōu)化后定位精度明顯提高。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；傳感網(wǎng)；傳輸網(wǎng)；水電站；ToA；室內(nèi)定位

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)對于電網(wǎng)來說，并非一個全新的事物，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)“滲入”智能電網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)，被用于信息采集、狀態(tài)監(jiān)測、回饋控制等，從而全方位提高智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的信息感知深度和廣度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為提高電網(wǎng)效率、供電可靠性提供了技術(shù)支撐，RFID技術(shù)、各類傳感器、定位技術(shù)、圖像獲取技術(shù)等使倉庫管理、變電站監(jiān)控、搶修定位與調(diào)度、巡檢定位、故障識別等業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)靈活、高效、可靠的智能化應(yīng)用。

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架及軟硬件設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

平臺包括：2.4GHz定位基站，2.4GHz定位手持機(jī)，433MHz貼片式無線測溫傳感器，433MHz雙頻無線傳感器轉(zhuǎn)發(fā)基站，433MHz通信基站，433MHz通信匯聚端以及應(yīng)用層上位機(jī)軟件。

2.1 貼片式無線傳感器節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用CC1101芯片，CC1101是Ti推出的ISM頻段無線收發(fā)芯片，其主要工作在433MHz-915MHz頻段，最大的輸出功率可達(dá)10dbm，靈敏度高，低功耗的電流，正常接收模式下為16mA，支持0-500Kbps的傳輸速率，支持多種調(diào)制模式并提供對同步字的檢測、地址的校驗(yàn)，具有靈活的數(shù)據(jù)包長度以及支持自動CRC的處理。

2.2 貼片式無線測溫節(jié)點(diǎn)

文章無線節(jié)點(diǎn)采用的是一種星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，軟件主要由以下幾方面組成：支持多跳和級聯(lián)的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、A/D轉(zhuǎn)換程序、外部中斷程序以及溫度采集通信程序。無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議程序主要包括無線協(xié)議的相關(guān)部分以及對傳感器信息的處理。A/D轉(zhuǎn)換程序主要是采集電池電壓。外部中斷程序主要是用于喚醒休眠的CC1101模塊。

3 抽水蓄能水電站定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 水電站室內(nèi)定位系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

在室內(nèi)環(huán)境下，很多遮擋物以及金屬對無線電波的反射等原因，能產(chǎn)生多徑干擾和非視距測距，它們對實(shí)際測距結(jié)果會造成較大的誤差。由于水電站地下廠房內(nèi)遍布著金屬，電磁環(huán)境也比較復(fù)雜，必然會給測距結(jié)果帶來較大誤差，例如會產(chǎn)生有效測距距離過近的問題、非視距測距造成測量距離過大的問題。

3.2 有效測距距離過近的問題

表1中的數(shù)據(jù)是在水電站現(xiàn)場，用定位手持機(jī)對定位基站進(jìn)行測距的測試結(jié)果，從結(jié)果可以看出在開闊的地下大廳一層有效測距的距離大概為25米左右，然而在向更遠(yuǎn)的距離進(jìn)行移動的時候，基本測量不到距離結(jié)果，唯一測量到的距離值為78米，但是其真實(shí)距離為55米，所以看出復(fù)雜的電磁環(huán)境對測距結(jié)果干擾很嚴(yán)重。

ToA算法的測量距離和真實(shí)距離的關(guān)系為：d1服從N（d，σ2）分布，其中d1是測量距離，d是定位手持機(jī)和定位基站之間的真實(shí)距離，σ2是測量方差。σ大小與d成正比例，真實(shí)距離越大，測量誤差就越大。在非視距測距的情況下，測距誤差為1%左右。雖然室內(nèi)環(huán)境的有效測距距離比較近，但是可以滿足ToA定位系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.3 非視距測距的影響

在對安裝了定位系統(tǒng)的地下廠房進(jìn)行測試時，發(fā)現(xiàn)非視距測距對測距精度的影響很大，當(dāng)出現(xiàn)如下情況的時候，就會產(chǎn)生非視距測距的現(xiàn)象，造成測距結(jié)果比真實(shí)結(jié)果大，嚴(yán)重影響定位的精度。如圖2所示，當(dāng)手持機(jī)與定位基站之間的實(shí)際距離為15米時，由于它們之間存在著遮擋物，所以無線電波不能直線到達(dá)被測基站，實(shí)際的測距結(jié)果是通過與后側(cè)墻壁的反射后的距離。實(shí)際測距的距離為R1+R2≈35米，比實(shí)際距離大了15米。如果此測距結(jié)果用于最終的定位算法中，將會嚴(yán)重地影響定位的精度，從而得出工作人員在實(shí)際場景中跳來跳去的結(jié)果。

3.4 定位系統(tǒng)的優(yōu)化手段

3.4.1 對定位基站進(jìn)行擴(kuò)展參數(shù)設(shè)置

水電站地下大廳內(nèi)一共布置了9個定位基站，因此理論上定位手持機(jī)最多可以測量到周圍9個定位基站的距離，但是最小二乘法等定位算法使用3組測距結(jié)果即可。從測試結(jié)果來看，每個定位基站的有效測量距離都在40米以內(nèi)，并且由于遮擋物位置的不同，所以每個定位基站會有所差異。在數(shù)據(jù)庫端對每個定位基站進(jìn)行有效的距離配置時，當(dāng)出現(xiàn)超過此測量距離的數(shù)值時，可以直接過濾掉該數(shù)值，從而最大程度地避免多徑干擾和非視距測距距離對定位結(jié)果的影響。

3.4.2 對算法進(jìn)行優(yōu)化

在傳統(tǒng)的ToA算法中，每組測距結(jié)果的N個測距值的權(quán)重是一樣的，這樣一個或幾個測距偏差比較大的測距值將直接導(dǎo)致定位結(jié)果誤差偏大。結(jié)合水電站的實(shí)際使用環(huán)境來看，接收信號強(qiáng)度數(shù)值越大的測距結(jié)果，其真實(shí)距離越遠(yuǎn)，那么測量距離的誤差就可能越大。因?yàn)榘惭b的定位基站數(shù)量比較多，每個基站之間的間隔為25米，所以測距距離越近的越可靠是毋庸置疑的。

4 水電站現(xiàn)場室內(nèi)定位結(jié)果

首先過濾掉不合理的ToA測距距離，在圖3中的“*”ToA代表用僅過濾后得到的ToA測距距離進(jìn)行定位的位置結(jié)果，再根據(jù)接收信號強(qiáng)度指示指標(biāo)RSSI對過濾后的ToA測距距離進(jìn)行排序，并且對信號強(qiáng)度越高的測距結(jié)果分配越高計(jì)算權(quán)重，圖中“+”RSSI-ToA代表用排序加權(quán)后進(jìn)行定位的位置結(jié)果。

5 結(jié)束語

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了彌補(bǔ)ToA算法在水電站環(huán)境中的缺陷，通過RSSI確定不同的測量距離值分配不同的計(jì)算權(quán)重值，在水電站地理環(huán)境中放置多個定位基站來解決復(fù)雜的電磁環(huán)境下單個基站有效測距距離過近的問題，對各個基站設(shè)定不同的權(quán)重值和有效測距距離，最大程度地過濾掉不合適的測量距離值，從而加大可信度高的測距值的權(quán)重，使定位結(jié)果更接近于實(shí)際位置，提高了定位系統(tǒng)的精度。

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