拖拉機智能定位監(jiān)測系統(tǒng)設計—基于粒子群優(yōu)化和WSN

甘沛沛

(陜西航空職業(yè)技術學院 電子工程學院，陜西 漢中　723102)

0　引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、半導體技術、計算機技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，人們對特定目標進行監(jiān)控、定位及導航的需求逐漸加大。近年來，無線通訊技術的迅猛發(fā)展，使得遠程智能控制獲得了長足的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡備受人們關注。為此，本文引入粒子群優(yōu)化算法和無線傳感技術，提出了一種拖拉機智能定位監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將無線傳感網(wǎng)絡與智能控制算法相結合，應用于拖拉機的實時定位，具有可靠性高和實時性強等優(yōu)勢。

1　粒子群優(yōu)化算法

粒子群(PSO)是追蹤鳥群尋覓食物過程得出的一種求優(yōu)算法，其模擬鳥群在飛行過程中方向和速度不可知的特性，從一個初始點向其他地方飛行。在求優(yōu)算法中，“粒子”作為研究對象，與種群中的鳥一一對應，但這種粒子和生活中顆粒沒有任何關系，其無質(zhì)與量的概念，而僅僅代表全局求優(yōu)過程中一個帶求解問題。速度和位置是粒子的兩要素，二者都可用向量來表示(即粒子狀態(tài)由位置和速度兩種向量表示)，所有粒子的共同目標是根據(jù)已設定函數(shù)求解最優(yōu)目標解。其中，速度要素主要是把控粒子的方向和位移量。鳥群尋找的食物目標就是所需解決問題的最優(yōu)解，粒子群體間通過相互交流、相互傳遞信息確定最終找到食物的位置。因此，在求解過程中，所有粒子都應該記下當前尋找到的最優(yōu)位置信息，也就是其中一個最優(yōu)解，并獲得除自己以外所有粒子的最佳位置信息(即全局最優(yōu)解)。粒子根據(jù)這兩個最優(yōu)解，判斷自己當前位置到食物位置的最佳路線，然后去尋找食物。

粒子群優(yōu)化算法原理描述：假設在一個n維立體空間中鳥群數(shù)量為M(即粒子數(shù)為M)，第i個粒子的位置Xi=[xi1,xi2,…,xin]，速度Vi=[vi1,vi2,…,vin]，根據(jù)目標函數(shù)求出Xi，便可以確定粒子的優(yōu)劣程度；Pi為第i個粒子的最優(yōu)值，Pi=[pi1,pi2,…,pin]；Pg為此刻搜索得出的全局最優(yōu)值，Pg=[pg1,pg1,…,pgn]。那么粒子位置和速度之間的調(diào)整表達式為

(1)

(2)

其中，d為小于等于n的正整數(shù)；k為求解次數(shù)；r1、r2∈[0,1]，表示群里的多樣性；ω為慣性系數(shù)；c1和c2為學習因子，分別控制和個體和全局最優(yōu)位置的位置遠近關系。

每個粒子個體最優(yōu)解更新表達式為

(3)

所有粒子的全局最優(yōu)解更新表達式為

f(Pg)=min[f(pi)]

(4)

粒子群優(yōu)化算法流程如圖1所示。

2　WSN技術

由于農(nóng)業(yè)車輛常常在收獲季節(jié)高強度大面積的工作，因此往往需要對其作業(yè)地點進行定位追蹤，車輛定位也是車聯(lián)網(wǎng)重要的技術之一。定位系統(tǒng)是車輛路徑規(guī)劃的基礎，WSN作為農(nóng)業(yè)車輛路徑規(guī)劃和導航的移動節(jié)點，各個無線傳感器通過附件節(jié)點位置進行位置追蹤。根據(jù)定位精度和實時性的區(qū)別，WSN主要包括RSSI、TDOA、AOA和TOA4種算法，并且各有各的優(yōu)勢與不足。

2.1　RSSI測距法

RSSI測距原理：將節(jié)點發(fā)射功率值與實際節(jié)點測量信號強度值進行對比，以信號傳播衰減為依據(jù)確定距離。由于拖拉機工作環(huán)境復雜多變，天氣變化多端，外界干擾多，系統(tǒng)不太穩(wěn)定；而RSSI測距可以通過傳感節(jié)點測量感知到的功率，根據(jù)信號傳播模型確定節(jié)點之間的距離，抗干擾性強。因此，采用RSSI算法是最佳的測距方法。其信號衰減模型公式為

(5)

其中，p(d)為距離為d時節(jié)點測得的信號值；p(d0) 為節(jié)點與基站相距d0時節(jié)點測得的信號值；n為比例系數(shù)，與障礙物大小、形狀以及材料相關；nW為節(jié)點與基站二者中間的障礙物數(shù)量；WAF為無線信號損耗值；C為信號穿過障礙物的個數(shù)。在節(jié)點和另一附近節(jié)點進行通訊時，信號強度值可以被其他節(jié)點測得，并且不會消耗信號帶寬能量值。

2.2　三邊測量法

在WSN定位過程中，信息不明的節(jié)點能夠以與其他3個參考節(jié)點之間的距離，采用三邊、多變坐標法求出其坐標。當定位的3個節(jié)點位置為線性時，無法采用該算法進行計算，因此常常采用參考節(jié)點中二次迭代法進行計算決策。

三維坐標系中，必須知道未知點與4個或以上已知幾點距離，才能夠確定搞點的空間坐標位置。WSN節(jié)點坐標中，因為是二維平面，所以只需知道3個點就可以求出該點坐標。三邊測量原理如圖2所示。

圖2　三邊測量原理圖

設定D(x,y)未知，A(x1,y1)、B(x2,y2)和C(x3,y3)為已知，D與3點之間的距離為 d1、d2和d3。距離計算表達式為

(6)

化簡后為

(7)

2.3　三角測量法

由于WSN節(jié)點坐標是二維平面，三角測量法只需要兩個參考節(jié)點便可求出未知節(jié)點坐標。設定S(x,y)為未知節(jié)點，A(x1,y1)和B(x2,y2)為已知節(jié)點，節(jié)點S和A、B的角度為α、β。三角測量原理如圖3所示。

圖3　三角測量原理圖

圖3中，三角測量法計算公式為

(8)

3　拖拉機智能定位監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1　智能定位監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

智能定位監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要是圍繞無線通信模塊、Samsung s3c2410A處理器及其他外圍電路來實現(xiàn)的，具體包括串行接口、時鐘電路、JTAG調(diào)試接口、復位電路、AD/電池供電電路和無線傳輸模塊等。系統(tǒng)硬件框架如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)硬件框架圖

無線測試模塊采用DIGI公司的XBee模塊，其支持2.4G Zig Bee 協(xié)議，自身資源豐富，接收靈敏度高，抗干擾性強，并且支持低功耗模式。該模塊共包含 RS232 串口轉換、JTAG、按鍵和電源等4部分電路。

1)RS232 串口電路。RS232 是一種串行通訊接口，一般以9 PIN管腳的型態(tài)出現(xiàn)，由電平轉化芯片SP3223EEA驅(qū)動控制。通過SP3223EEA芯片的電平轉換，可以實現(xiàn)計算機與網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)信息發(fā)送。RS232無線測試接口電路如圖5所示。

圖5　RS232無線測試接口電路圖

2)JTAG電路。JTAG是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于測試處理器內(nèi)部的模式選擇、時鐘信號及數(shù)據(jù)輸入輸出等，通過該接口可以實現(xiàn)系統(tǒng)移植和程序在線測試等功能。JTAG電路原理圖如6所示。

圖6　系統(tǒng)JTAG電路原理圖

3)按鍵電路。按鍵電路主要有復位和和命令兩種模式，其按鍵值與處理器端口配置有關。系統(tǒng)按鍵原理如圖7所示。

4)電源電路。本系統(tǒng)共有兩種供電方案：一種是由電池供電，另一種是通過AMS1084芯片將USB或仿真器提供的電源轉化為3.3V電壓。無線通信模塊需長期供電，當無外部電源供電時采用電池供電模式。另外，因電路對無線通信模塊芯片干擾大，因此一般需進行濾波處理。具體電路圖如圖8所示。

圖7　系統(tǒng)按鍵原理圖

圖8　系統(tǒng)電源原理圖

3.2　智能定位監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

無線通信模塊中的網(wǎng)關對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接發(fā)具有重要作用，是節(jié)點信息交互的樞紐。一般先經(jīng)由它接收遠程后臺發(fā)送的指令信息，然后實現(xiàn)信標節(jié)點和未知節(jié)點的通信，并將最終數(shù)據(jù)信息回發(fā)給遠程控制中心，方便工作人員實時檢測定位情況和了解節(jié)點運行狀態(tài)。無線通信模塊網(wǎng)關程序流程如圖9所示。

圖9　無線通信模塊網(wǎng)關程序流程圖

4　實驗結果與分析

本文為了驗證拖拉機智能定位監(jiān)測系統(tǒng)設計是否可行，利用 MatLab對其進行了系統(tǒng)仿真。仿真過程中假設拖拉機在0dbm下進行作業(yè)，無線通訊模塊信標節(jié)點通信半徑為30m。將3次最優(yōu)結果采用最小二乘法進行擬合，如圖10所示。

圖10　實驗結果擬合圖

由圖10可以看出：該智能定位監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確估計拖拉機的位置，誤差系數(shù)較小，并能對累計誤差進行智能化處理，較大程度減少了累計誤差，使得車輛在整個模擬過程中誤差在0.5m以內(nèi)，證實了該定位算法具有較高的準確性和穩(wěn)定性。

5　結論

首先介紹了粒子群優(yōu)化算法和WSN技術的特點和原理，然后根據(jù)拖拉機在作業(yè)過程中的實際需求設計了一種拖拉機智能定位監(jiān)測系統(tǒng)。利用MatLab對定位算法進行了仿真實驗，結果表明：該系統(tǒng)能夠準確估計拖拉機的位置，誤差系數(shù)較小，在滿足定位精度的情況下較大程度地減少了累計誤差，使得車輛在整個模擬過程中誤差在0.5m以內(nèi)，能夠準確完成對目標定位的功能。