基于WSN的廠區(qū)員工定位系統(tǒng)設(shè)計與仿真

司徒瑩，劉 美

（1.廣東石油化工學(xué)院 計算機(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）

某些含危險性的生產(chǎn)過程的企業(yè)，如石化企業(yè)，基于安全需要對廠區(qū)內(nèi)或有毒環(huán)境中的員工實現(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。因此對生產(chǎn)廠區(qū)的移動目標(biāo)進(jìn)行定位、監(jiān)測，是解決企業(yè)安全監(jiān)控的關(guān)鍵問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）由大量成本低、體積小、電池供電的傳感器節(jié)點組成，具有檢測、計算、能量存儲、帶寬資源受限制等特點[1-2]。WSN節(jié)點無需固定基礎(chǔ)設(shè)施支持和人工維護(hù)，能實現(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)計了多級安全儀表系統(tǒng)及各級聯(lián)鎖觸發(fā)條件，優(yōu)化了現(xiàn)場高危工段的監(jiān)控、報警、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實現(xiàn)對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)重要過程和環(huán)境監(jiān)控，在廠區(qū)內(nèi)的移動目標(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)移動節(jié)點的定位。由于CC2431體積小、定位精度較高、能完成大部分定位算法、價格相對便宜、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、多信號的生產(chǎn)廠區(qū)中使用。所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、方便實用、具有一定的精度，基本滿足企業(yè)移動節(jié)點監(jiān)控的要求。

1 硬件構(gòu)成

1.1 硬件平臺

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

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

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

計算機(jī)通過協(xié)調(diào)器對整個系統(tǒng)進(jìn)行通訊，在前期起到一個操作平臺的作用，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的編程和程序的下載，對各個節(jié)點進(jìn)行參數(shù)的配置，后期起到監(jiān)控的作用，通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實時監(jiān)視移動節(jié)點的位置。

網(wǎng)關(guān)及協(xié)調(diào)器作為組建一個ZigBee WSN網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)分析上位機(jī)發(fā)出的對各個參考節(jié)點配置的信息，隨之將這些配置信息傳送給對應(yīng)的節(jié)點設(shè)備，而且，還要向各個節(jié)點提出請求返回信息的指令，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)控軟件來表達(dá)收到的信息。

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

移動節(jié)點即我們需要確定其坐標(biāo)位置的節(jié)點，選用CC2431。它與參考節(jié)點進(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)點發(fā)過來的坐標(biāo)信息和最終發(fā)送來的RSSI平均值，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計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。

按無線通信功能和輔助功能，硬件電路分為2個部分。無線通信模塊的作用是為節(jié)點與節(jié)點間的通信提供收發(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USB to TTL轉(zhuǎn)換電路實現(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節(jié)點發(fā)送請求信息，之后，移動節(jié)點向參考節(jié)點以廣播的形式發(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)點都在一跳范圍內(nèi)。一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點接收到 RSSI Blast信號后，記錄該盲節(jié)點的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)點接收到盲節(jié)點的數(shù)據(jù)包之后，按其包含的請求命令的要求，將所需要的參數(shù)返回給移動節(jié)點，其中包括RSSI的平均值和自身的坐標(biāo)位置。最后盲節(jié)點按照一定規(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，這樣保證盲節(jié)點的周圍存在3個最強(qiáng)參考節(jié)點）將數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點[11]。整個定位通訊流程如圖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)點定位技術(shù)，是WSN中的關(guān)鍵技術(shù)，可靠有效的定位對目標(biāo)的監(jiān)測、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)點定位技術(shù)中非常常用的一種算法，是美國的學(xué)者通過不斷實踐研究出來的一種分布式算法[13]。該算法比較依賴于多跳信標(biāo)節(jié)點的數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(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)點先計算出與信標(biāo)節(jié)點之間的最小跳數(shù)，再估算出信標(biāo)節(jié)點間的平均跳距，用平均跳距乘以最小的跳數(shù)，可以求出未知節(jié)點和信標(biāo)節(jié)點之間的估計距離，最后用相關(guān)公式來求得未知節(jié)點的位置坐標(biāo)[14]。該算法操作簡單，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)點要能定位的要求是要知道3個或者3個信標(biāo)節(jié)點以上的距離。但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點是隨機(jī)分布的，所以造成有些未知節(jié)點根本就沒有足夠的信標(biāo)節(jié)點來相連通，這樣就會造成測出來的定位精度不高，定位誤差較大。所以，筆者在一定區(qū)域內(nèi)對信標(biāo)節(jié)點進(jìn)行擴(kuò)展和進(jìn)行區(qū)域劃分，以提高定位精度。在定位過程，還應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦黾幽軌騾⑴c定位的信標(biāo)節(jié)點，也可以把在附近信標(biāo)節(jié)點很多的未知節(jié)點轉(zhuǎn)換成新的信標(biāo)節(jié)點，然后讓它參與到下一個階段的定位，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)域的邊長設(shè)置為100 m×100 m，區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點設(shè)置為250個，其中信標(biāo)節(jié)點數(shù)為25個，未知節(jié)點數(shù)為225個，節(jié)點的通信半徑均為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)點分布圖以及每個節(jié)點的定位誤差如圖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)點數(shù)與平均定位誤差關(guān)系對比Fig.7 Comparison of beacon node numbers and average error before and after improvement

3 系統(tǒng)搭建與試驗驗證

依前所述構(gòu)建硬件系統(tǒng)，選取信標(biāo)節(jié)點8個，移動節(jié)點1個，試驗在一個6 m×6 m的試驗室內(nèi)進(jìn)行，8個參考節(jié)點隨機(jī)放置，分別標(biāo)記為R1～R8，有一任意移動節(jié)點，并在室內(nèi)模擬通過電信號與氣信號管線。對移動節(jié)點進(jìn)行定位，共選取5個移動位置，定位結(jié)果如表1所示。

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

該測試結(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，這也是今后無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中的一個研究方向。

4 結(jié)語

WSN是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它已成為當(dāng)前研究的熱點，在越來越多的領(lǐng)域里，將會發(fā)揮主導(dǎo)作用。本文根據(jù)實際需求，研究了基于WSN構(gòu)建成的二維的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)。利用CC2430及2431構(gòu)成定位平臺，加之對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算法在每個節(jié)點的誤差、相對定位誤差、平均定位誤差等方面比原來的算法明顯降低，這就可以說明DV-Hop算法改進(jìn)后定位精度提高了，性能方面優(yōu)于原來的算法。而所搭建的硬件系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，有較高的定位精度。整個定位系統(tǒng)無論從定位精度、實用性以及造價上均滿足廠區(qū)移動人員定位的需求。在后續(xù)的研究中，我們還會繼續(xù)致力于定位算法的優(yōu)化研究，加強(qiáng)定位的實時性，并實現(xiàn)定位系統(tǒng)與企業(yè)管理軟件的通訊對接，進(jìn)一步提高定位精度和實用性。

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