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