陳云 李瑞東 華容

【摘要】 介紹了一種基于OPM（適機(jī)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）核心技術(shù)的智能無(wú)線組網(wǎng)定位系統(tǒng)。利用新穎的OPM技術(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)合RSSI動(dòng)態(tài)修正定位算法，設(shè)計(jì)本定位系統(tǒng)的硬件和軟件，彌補(bǔ)GPS定位無(wú)法在室內(nèi)使用，移動(dòng)通信基站定位精度不高造成的定位技術(shù)空缺。實(shí)現(xiàn)一個(gè)安裝快捷，無(wú)需拉線，快速組網(wǎng)的實(shí)時(shí)定位定位系統(tǒng)，適用于多種定位應(yīng)用場(chǎng)景。

【關(guān)鍵詞】 OPM技術(shù) RSSI 實(shí)時(shí)定位 快速組網(wǎng)

一、引言

室內(nèi)及特殊場(chǎng)合的定位和傳感器通信問題一直困擾著許多工作現(xiàn)場(chǎng)的人員。說(shuō)到定位解決方案，大家馬上會(huì)聯(lián)想到GPS 定位，或基于GPS 的各種定位品；更專業(yè)一些的人士可能會(huì)想到使用通信基站（CellID）定位，但在一些室內(nèi)及特殊場(chǎng)合，如礦井下、地下管道、特殊的建筑物內(nèi)等，GPS 和CellID 將失去它的定位能力，因?yàn)樵谀切┑胤礁揪蜎]有信號(hào)。本文談?wù)摰姆桨笇⒔鉀Q特殊場(chǎng)合定位及傳感通信的問題，其特點(diǎn)是能為現(xiàn)場(chǎng)人員管理和事故搜救提供便捷、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的位置服務(wù)，比較適合于沒有GPS信號(hào)的礦井井下、辦公樓宇、城市地下管道等

二、系統(tǒng)涉及的主要技術(shù)及算法

智能定位系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)本設(shè)計(jì)是基于OPM（Opportunistic Mesh Networks）技術(shù)而開展的，所以我們將采用OPM15芯片作為本設(shè)計(jì)的無(wú)線通信芯片，其內(nèi)置獲取接收的信號(hào)強(qiáng)度指示值RSSI（Received Signal Strength Indication）功能的命令。其主要特點(diǎn)是：工作頻率2.4GHZ；數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)100kbps；60Mw的工作頻率，休眠功率為4μW，功耗極低；支持從-18dBm到5dBm的射頻輸出功率控制功能；支持動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧；具有實(shí)時(shí)無(wú)線多條通信方式，傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低，抗干擾能力高。且與802和TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)兼容。

2.1 OPM技術(shù)

OPM技術(shù)是基于機(jī)會(huì)認(rèn)知機(jī)制的智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（Opportunistic Mesh） [1]，OPM網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)機(jī)會(huì)地使用網(wǎng)絡(luò)資源：包括無(wú)線頻譜資源和無(wú)線站點(diǎn)。OPM技術(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源的機(jī)會(huì)動(dòng)態(tài)使用，在組網(wǎng)上無(wú)需一個(gè)固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和頻率分配，就可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)。例如：在無(wú)線多跳傳輸?shù)倪^(guò)程中，每個(gè)數(shù)據(jù)包都使用動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的路徑，而每跳所使用的頻率亦動(dòng)態(tài)產(chǎn)生。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在傳輸每一個(gè)數(shù)據(jù)包的同時(shí)亦在檢測(cè)下一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸可以使用的最佳路徑和無(wú)線頻帶。如果當(dāng)下的物理信道被干擾，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)在毫秒級(jí)的時(shí)間切換的另一個(gè)可用信道。這樣網(wǎng)絡(luò)資源的利用可以達(dá)到其瞬間最大值。

通過(guò)建立新的跨層協(xié)議棧設(shè)計(jì)，在技術(shù)上OPM對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的改造，從而大大地提高了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和抗干擾性。網(wǎng)絡(luò)帶寬在經(jīng)過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)后（多跳）保持穩(wěn)定。由于OPM的可以動(dòng)態(tài)建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，不需要固定的網(wǎng)絡(luò)路由路徑，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，和無(wú)線鏈路頻道分配，大大簡(jiǎn)化了布網(wǎng)工作量，并具有極強(qiáng)的抗干擾性。采用OPM技術(shù)可以很好的實(shí)現(xiàn)快速布網(wǎng)，即設(shè)即用，而且有比WiFi和Zigbee更強(qiáng)的抗干擾性。

2.2 定位算法

這里描述2個(gè)位置估計(jì)定位算法。對(duì)于任何的特定節(jié)點(diǎn)，最好只處理3個(gè)最強(qiáng)的固定節(jié)點(diǎn)RSSI記錄。

2.2.1 加權(quán)總算法

對(duì)于系統(tǒng)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，它離一個(gè)固定節(jié)點(diǎn)越近，在固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)及節(jié)點(diǎn)之間將會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的RSSI，加權(quán)算法利用RSSI的值和固定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)能找到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置。

對(duì)于一個(gè)全向天線，它的接收功率與距離有以下關(guān)系：

‘d是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)的距離，‘n是房間里的漸消因子，RSSI在線性范圍內(nèi)，利用這種關(guān)系，我們能得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和不同固定節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置。

然后這個(gè)算法將使用這個(gè)加權(quán)系數(shù)的關(guān)系去算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，如下公式：

該算法可以通過(guò)漸消因子‘n進(jìn)一步校準(zhǔn)，它能適應(yīng)環(huán)境的變化和復(fù)雜的幾何形狀。在很多的應(yīng)用中，包括在該智能定位系統(tǒng)中，最好只使用3個(gè)有最強(qiáng)的RSSI的固定節(jié)點(diǎn)。

這個(gè)算法的說(shuō)明如圖1所示。

2.2.2 絕對(duì)距離算法

當(dāng)已知漸消因子和一個(gè)參考RSSI，可以計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離。使用一個(gè)A的RSSI和漸消因子‘n，我們能得到如下的等式：

根據(jù)2個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置，和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到他們的距離，我們能找到滿足距離的2個(gè)點(diǎn)，如下圖所示：

根據(jù)上圖，對(duì)于兩個(gè)固定節(jié)點(diǎn)P1（x1，y1），、P2（x2，y2）和已知的距離dS1_M和dS2_M，可以確定兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可能的位置：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可能位置 1和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可能位置 2。通過(guò)使用絕對(duì)距離算法，拓?fù)鋺?yīng)該保證任何點(diǎn)的3個(gè)最近的的固定節(jié)點(diǎn)都包括這個(gè)點(diǎn)。

現(xiàn)在只要在數(shù)據(jù)庫(kù)中找出3個(gè)RSSI信號(hào)最強(qiáng)的就可以計(jì)算距離了，RSSI越強(qiáng)則計(jì)算越準(zhǔn)確。對(duì)于每?jī)蓚€(gè)固定節(jié)點(diǎn)的選擇，可能會(huì)計(jì)算出2個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的地方。因此由于三條固定節(jié)點(diǎn)能確定三個(gè)點(diǎn)，形成一個(gè)最小的三角形，最后三個(gè)點(diǎn)的平均數(shù)被選擇作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置點(diǎn)。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用自組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以動(dòng)態(tài)快速的自組織網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需固定路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路徑分配，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線鏈路分配，可實(shí)現(xiàn)多跳路徑，避開故障節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，可以用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的人員定位監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本無(wú)線定位子系統(tǒng)主要由定位基站（也即路由器）和點(diǎn)位卡兩部分組成；無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)由系統(tǒng)中數(shù)個(gè)固定基站自主通過(guò)無(wú)線方式形成；基站實(shí)現(xiàn)超低功耗工作，可通過(guò)電池供電長(zhǎng)時(shí)間工作，各個(gè)基站之間可通過(guò)無(wú)線連接，便于布置網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)基站作為傳感器終端還具有中繼功能，可實(shí)時(shí)傳送定位信息及其它傳感信息到管理子系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)：進(jìn)入定位網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的人員，其位置信息快速被附近的基站所捕獲，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送給監(jiān)控中心[2]；監(jiān)控平臺(tái)也可通過(guò)定位網(wǎng)絡(luò)將聲光、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等警報(bào)信號(hào)通過(guò)定位網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送給帶有手持終端設(shè)備的工作人員，從而實(shí)現(xiàn)定位以及數(shù)據(jù)傳輸。

3.1控制芯片

本設(shè)計(jì)將采用 dsPIC30F3013高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器作為主控芯片。之所以采用一款PIC系列的單片機(jī)，是因?yàn)镻IC系列單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，單字節(jié)指令體系，嵌入閃存以及10位A/D轉(zhuǎn)換器；并且采用了采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，在芯片內(nèi)部，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，容許采用不同的字節(jié)寬度；內(nèi)部的CMOS結(jié)構(gòu)，也使其功效消耗極低，是目前世界上最低功耗的單片機(jī)品種之一[3]；同時(shí)，PIC系列單片機(jī)I/O端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)輸出引腳可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)20-25mA的負(fù)載。

3.2系統(tǒng)組成

定位基站：將由dsPIC30F3013高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器控制。以O(shè)PM15芯片作為無(wú)線通信芯片?？梢杂蔁o(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的形式來(lái)組織，是即設(shè)即用的無(wú)線定位站點(diǎn)，也是該系統(tǒng)的核心，能與定位卡與上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)交互信息，可以自由設(shè)定基站位置，來(lái)組成無(wú)線定位系統(tǒng)。

定位卡：將以O(shè)PM15芯片作為無(wú)線通信芯片?？梢杂蔁o(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的形式來(lái)組織，由其與定位基站間的信息交互來(lái)實(shí)現(xiàn)位置信息的確定。

上位機(jī)軟件：也是用戶的使用界面，將采用C#語(yǔ)言編寫，能夠與基站與定位卡通信，獲取，控制定位卡與基站信息。并且會(huì)設(shè)置一些預(yù)設(shè)端口，方便功能增設(shè)。

電腦端服務(wù)軟件設(shè)置（如圖4）

1. 設(shè)置地圖大小，在 Address 欄添加所有 Server 端、基站端地址，根據(jù)

Server 端和基站在實(shí)際場(chǎng)景內(nèi)的位置，在地圖上拖放基站圖標(biāo)

2. 設(shè)置 COM 口、Update Coefficient*、Server Address，按 RUN 按鈕啟 動(dòng)定位系統(tǒng)，移動(dòng)端的位置將以紅點(diǎn)的形式在地圖上實(shí)時(shí)顯示

[對(duì)人員走動(dòng)測(cè)試，建議 update coefficient 調(diào)制在 0.2，對(duì)于 高速移動(dòng)，建議更新速率調(diào)到 0.4]

四、總結(jié)

OPM 技術(shù)由于自適應(yīng)組網(wǎng)，靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)，并能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)線定位，同時(shí)具備數(shù)據(jù)中繼功能，可以與通信行業(yè)現(xiàn)有基建設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，并可作為物聯(lián)網(wǎng)及寬帶互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)技術(shù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)諸如：物聯(lián)傳感網(wǎng)絡(luò)、定位網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線寬帶接入、應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)等各種應(yīng)用。OPM 技術(shù)提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的帶寬覆蓋成本，可以大大增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)可持續(xù)擴(kuò)充性，提供高效的布網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)模式，和支持實(shí)時(shí)可靠的高品質(zhì)無(wú)線通信，以及降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和功耗，使其成為各種物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用的最佳組網(wǎng)和室內(nèi)定位方案。

參考文獻(xiàn)

[1] OMESH Networks.OPM15 Software API Guide [OB/L].http：//www.omeshnet.com/omesh， Oct 10， 2011.

[2]喬曉嬌.基于OPM15技術(shù)的礦井無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].浙江工業(yè)大學(xué)：通信與信息系統(tǒng)，2012

[3] dsPIC30F2011/2012/3012/3013 Data Sheet（11/02/2010）

[OB/L]http：//ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70139G.pd

基金項(xiàng)目：由國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃支持。項(xiàng)目編號(hào)201310347011

參 考 文 獻(xiàn)

[1] OMESH Networks.OPM15 Software API Guide [OB/L].http：//www.omeshnet.com/omesh， Oct 10， 2011.

[2]喬曉嬌.基于OPM15技術(shù)的礦井無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].浙江工業(yè)大學(xué)：通信與信息系統(tǒng)，2012

[3] dsPIC30F2011/2012/3012/3013 Data Sheet（11/02/2010）[OB/L]http：//ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70139G.pd