密集型母線槽溫度監(jiān)測參數(shù)異常點定位方法*

文 典， 謝維成， 胡 銳， 楊加國， 蔣文波

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039； 2.成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

ZigBee[1]無線監(jiān)控母線槽系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集覆蓋在其網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的母線槽接頭及插接箱信息，然而母線槽系統(tǒng)規(guī)模龐大復(fù)雜，一旦接頭處溫升超過閾值引發(fā)電氣火災(zāi)，后果難以控制。如何在眾多監(jiān)測點中定位溫升異常點顯得尤為重要。接收信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)技術(shù)的定位方法[2]無需額外安裝硬件，RSSI值可由母線槽監(jiān)測節(jié)點設(shè)備提供測量。而樓板遮擋與人員走動導(dǎo)致環(huán)境變化，使無線信號受到反射、散射、衍射和多徑效應(yīng)影響增加，導(dǎo)致RSSI值測量不準(zhǔn)確，定位誤差增加。文獻[3]通過對整體環(huán)境分割，增加錨節(jié)點的密度提升了子區(qū)域擬合環(huán)境參數(shù)精度，改進定位精度，但增加錨節(jié)點密度制約了網(wǎng)絡(luò)擴展性能也增加了網(wǎng)絡(luò)成本。文獻[4]通過改進質(zhì)心定位算法來提升定位精度，但忽略了多變的環(huán)境、采用經(jīng)驗值的信號衰減指數(shù)對測距的影響。文獻[5]采用多維標(biāo)度法求解RSSI值構(gòu)建的相異性矩陣，以粒子群算法來優(yōu)化坐標(biāo)變換參數(shù)，提升了算法的抗干擾能力。上述算法都能在定位精度和克服環(huán)境影響方面得到提升，但普遍存在計算量和通信開銷偏大的問題。

本文考慮成本和開銷，參照母線槽無線監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點布置情況，以RSSI值的大小排序決定參與定位的錨節(jié)點，動態(tài)修正信號衰落參數(shù)，再用錨節(jié)點自定位修正測距誤差，最后加權(quán)質(zhì)心計算出節(jié)點坐標(biāo)。通過仿真實驗可知算法提高了環(huán)境適應(yīng)能力，定位誤差滿足母線槽監(jiān)測參數(shù)異常節(jié)點的定位需求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)

ZigBee無線監(jiān)控母線槽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場監(jiān)測模塊、監(jiān)控服務(wù)中心及遠程監(jiān)控3部分組成。

現(xiàn)場監(jiān)測部分由上千個ZigBee無線傳感器模塊組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)。為滿足綜合體建筑母線槽配電系統(tǒng)眾多監(jiān)測節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)需求，采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域大且擴展性強，具有自組織能力和自愈性，數(shù)據(jù)可以多方靈活傳輸,當(dāng)有個別節(jié)點失效時也能保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 RSSI定位測距

2.1 無線信號損耗模型分析

2.2 環(huán)境參數(shù)值實時修正

復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，衰減值可能會有很大差異。因此，將整個區(qū)域劃分為幾個子區(qū)域以提高精度是合理的，但即使在相同的環(huán)境下，季節(jié)或天氣的變化，都會改變信道特征。為了進一步提升模型的環(huán)境適應(yīng)能力，運用已知錨節(jié)點坐標(biāo)這一特點[7]，一旦知道異常節(jié)點附近子區(qū)域內(nèi)的任意2個錨節(jié)點，可得信號損耗指數(shù)n(RSSI-Q)/(10lg(d))，但任2錨節(jié)點確定參數(shù)可能產(chǎn)生較大誤差，因此，選擇異常節(jié)點接收RSSI值最大的3個錨節(jié)點，即理論上距離異常節(jié)點最近的3個錨節(jié)點來修正參數(shù)。如圖1所示，假設(shè)O為異常節(jié)點，A,B,C為選擇參與定位的3個錨節(jié)點，可認為4個節(jié)點處在相同的特征環(huán)境內(nèi)。錨節(jié)點A，B，C坐標(biāo)距離已知，且相互之間可通信，可由此計算出信號衰減模型中的參數(shù)Q和n。

當(dāng)B，C接收到A發(fā)射的信號分別為RAB,RAC時，有

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求解可得到nA,QA。同理可計算出錨節(jié)點B,C的參數(shù)分別為nB,QB,nC,QC。

考慮A,B,C三點對O點的不同影響，以O(shè)點接收到A,B,C三點的RSSI值RAO,RBO,RCO為權(quán)值求平均，得到參數(shù)異常節(jié)點動態(tài)子區(qū)域的環(huán)境參數(shù)

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由此修正測距模型計算節(jié)點間的距離d。

2.3 二次修正測距

3 加權(quán)質(zhì)心求解節(jié)點坐標(biāo)

由無線信號損耗模型可知，節(jié)點間的距離d與RSSI值成反比，距離越小可靠度越高，因此，將距離信息作為權(quán)值加入質(zhì)心定位算法中提高定位精度。

由前述計算出異常節(jié)點到錨節(jié)點A，B，C的距離分別為d1，d2，d3。以w=1/d的倒數(shù)作為權(quán)值，得到異常節(jié)點x坐標(biāo)值為

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同理，可得到y(tǒng),z的坐標(biāo)。權(quán)值中的m為權(quán)值調(diào)整系數(shù)，能夠調(diào)整權(quán)值修正程度。在MATLAB仿真實驗中，得到當(dāng)m=3.5時效果較好。

4 仿真實驗

在MATLAB軟件中進行定位仿真實驗。實驗仿真環(huán)境設(shè)置為10 m×15 m×20 m區(qū)域。選擇60個節(jié)點設(shè)置為錨節(jié)點，假定異常節(jié)點10個。節(jié)點坐標(biāo)如圖2所示。

圖2 節(jié)點坐標(biāo)示意

當(dāng)監(jiān)測節(jié)點參數(shù)飆升超過閾值則認定異常，發(fā)出定位請求。在仿真實驗中根據(jù)假定的異常節(jié)點位置,各錨節(jié)點通過改進的信號衰減模型得到接收功率。為了模擬建筑內(nèi)的環(huán)境干擾，添加標(biāo)準(zhǔn)差σ為3的高斯隨機變量作為RSSI的測量值計算距離，信噪比為1︰5。由定位坐標(biāo)與實際坐標(biāo)間的歐氏距離表示誤差E

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如圖3所示為假定的10個異常點的預(yù)設(shè)位置與定位位置的仿真結(jié)果。

圖3 實際坐標(biāo)與定位坐標(biāo)

可以看出,10個未知節(jié)點中，節(jié)點10誤差最小(0.83 m)，節(jié)點9誤差最大(1.49 m)，平均誤差為1.19 m。

圖4為誤差比較，可以看出修正后節(jié)點誤差降低。因母線槽接頭位置間距以及樓板間距離都普遍大于最大誤差距離，且水平平均誤差0.9 m，垂直平均誤差0.23 m，仿真實驗結(jié)果較理想。

圖4 誤差比較

5 結(jié) 論

配電系統(tǒng)的要求越來越趨近智能化，大型商住一體建筑的用電安全尤為重要。結(jié)合ZigBee無線監(jiān)控智能母線槽系統(tǒng)，無需安裝其他硬件設(shè)備，針對參數(shù)異常節(jié)點附近區(qū)域動態(tài)修正環(huán)境參數(shù),優(yōu)化無線信號損耗模型后二次修正測距，計算異常節(jié)點坐標(biāo)。仿真實驗結(jié)果較理想，可應(yīng)用于母線槽系統(tǒng)溫度監(jiān)測參數(shù)異常點定位。