祝開艷 李松松 曹立杰 姜鳳嬌

摘要：為了滿足井下人員定位的需要，設(shè)計(jì)了一種基于CC2431的無線定位系統(tǒng)。采用CC2430作為定位參考節(jié)點(diǎn)，帶有定位引擎的CC2431芯片作為跟蹤定位節(jié)點(diǎn)，跟蹤節(jié)點(diǎn)利用從參考節(jié)點(diǎn)處接收到的信號(hào)強(qiáng)度估算與各參考節(jié)點(diǎn)之間的距離，利用定位算法計(jì)算出自身位置坐標(biāo)，并發(fā)送給監(jiān)控中心。本文設(shè)計(jì)了定位系統(tǒng)模型，并在傳統(tǒng)的三角質(zhì)心算法基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的加權(quán)三角質(zhì)心算法，從而減小定位誤差，提高定位精度。實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠比較準(zhǔn)確地獲取井下人員的位置，為管理人員及時(shí)掌握井下人員情況提供依據(jù)，且成本較低，實(shí)用性較強(qiáng)。

關(guān)鍵字：傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線定位；CC2431；信號(hào)接收強(qiáng)度指示器（RSSI）

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（a）-0000-00

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，基于位置的服務(wù)（LBS）越來越重要[1]。我國煤礦資源豐富，但是煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，事故頻有發(fā)生。為了保障井下人員的安全，對他們在井下的位置和情況的及時(shí)掌握非常重要[2]。目前，已有的井下人員定位系統(tǒng)的功能比較全面，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴，只適合大規(guī)模煤礦生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用，對于中小規(guī)模煤礦來說成本高昂，難以普及[3]。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于CC2431的無線傳感器定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于RSSI的加權(quán)三角形質(zhì)心定位算法，實(shí)現(xiàn)對井下人員的定位。CC2431芯片具有測量RSSI（received signal strength indication）的功能，無需添加額外的硬件設(shè)備來進(jìn)行精確的時(shí)間同步和角度測量，降低了成本，且系統(tǒng)的可擴(kuò)展性良好[4]。

1 系統(tǒng)模型

基于CC2431的井下無線定位系統(tǒng)主要包括參考節(jié)點(diǎn)、跟蹤定位節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)三大部分。其中網(wǎng)關(guān)作用相當(dāng)于ZigBee的協(xié)調(diào)器，可由CC2430擔(dān)任，負(fù)責(zé)整個(gè)無線定位網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)服務(wù)，即將跟蹤節(jié)點(diǎn)結(jié)算出來的位置坐標(biāo)發(fā)送給監(jiān)控中心（上位機(jī)）。參考節(jié)點(diǎn)為已知位置坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，可用若干CC2430模塊實(shí)現(xiàn)。參考節(jié)點(diǎn)的位置部署可隨機(jī)也可固定，由用戶自己決定，一旦部署完成后，節(jié)點(diǎn)的位置就不會(huì)發(fā)生改變。跟蹤定位節(jié)點(diǎn)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，由CC2431模塊實(shí)現(xiàn)，其位置是隨跟蹤對象位置的變化而變化（跟蹤節(jié)點(diǎn)由井下人員佩戴），位置坐標(biāo)由CC2431的定位引擎通過接受參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值并經(jīng)過定位算法計(jì)算得到。在本定位系統(tǒng)中，定位精度與參考節(jié)點(diǎn)數(shù)量有關(guān)，一般而言，參考節(jié)點(diǎn)越多，定位精度越高。

2 定位算法

RSSI（received signal strength indication）是一種常見的低成本測距技術(shù)。其基本原理是根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度將無線信號(hào)的傳輸損耗轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)間距離[5]。RSSI值是信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間距離的函數(shù)，其計(jì)算公式如下[6]：

（1）

式中：RSSI值為信號(hào)能量平均值，d為發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，n反映了在具體的傳播環(huán)境下信號(hào)能量隨收發(fā)器間距離增加而衰減的速率，A為天線全向模式下距發(fā)射節(jié)點(diǎn)1米處接收信號(hào)的RSSI絕對值，與信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度有關(guān)。由CC2430/CC2431測得的RSSI值具有100 dB的動(dòng)態(tài)范圍及很好的線性。

設(shè)參考節(jié)點(diǎn)A，B，C，跟蹤定位節(jié)點(diǎn)D，根據(jù)RSSI模型計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)A和D的距離為 ；節(jié)點(diǎn)B和D的距離為 ；節(jié)點(diǎn)C和D的距離為 。分別以A，B，C為圓心，以 、 和 為半徑畫圓，可得交疊區(qū)域，如圖2所示。計(jì)算三圓交疊區(qū)域的3個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，以這三個(gè)點(diǎn)為三角形的頂點(diǎn)，特征點(diǎn)即為三角形質(zhì)心。如圖3所示，特征點(diǎn)為E，F(xiàn)，G，特征點(diǎn)E點(diǎn)的計(jì)算方法為：

（2）

式中， 和 （ ）分別為各參考節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。同理，可計(jì)算出F點(diǎn)、G點(diǎn)坐標(biāo) ， 。計(jì)算由E、F、G三點(diǎn)構(gòu)成的三角形的質(zhì)心就近似得到了定位節(jié)點(diǎn)的位置信息。在圖3中，實(shí)際點(diǎn)為D；三角形質(zhì)心算法出的估計(jì)點(diǎn)為M；三邊測量法算出的估計(jì)點(diǎn)為N。可知，三角形質(zhì)心算法的準(zhǔn)確度更高。

圖2 基于RSSI的定位算法 圖3 三角形質(zhì)心定位算法

通過分析發(fā)現(xiàn)，三角形質(zhì)心算法沒有反映出參考節(jié)點(diǎn)對跟蹤定位節(jié)點(diǎn)位置信息的影響大小。因此可以通過加權(quán)因子的形式，使參考節(jié)點(diǎn)對未知節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生不同的決定權(quán)，反映參考節(jié)點(diǎn)對跟蹤定位節(jié)點(diǎn)位置信息的影響力大小。其數(shù)學(xué)公式如下：

（4）

其中， 是用加權(quán)三角質(zhì)心算法所求出的質(zhì)心坐標(biāo)（即為定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)）。 ， ， 分別為定位節(jié)點(diǎn)獲得的定位節(jié)點(diǎn)與3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間的距離值。加權(quán)因子 ， ， 反映了離定位節(jié)點(diǎn)距離越近的參考節(jié)點(diǎn)在位置信息計(jì)算中所占權(quán)重最大。

定位系統(tǒng)的定位效果可用定位誤差來反映。假設(shè)真實(shí)的定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)為 ，而經(jīng)過定位算法計(jì)算得到的定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為 ，定位誤差定義為：

（5）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）將CC2430＼CC2431的定位數(shù)據(jù)可以由實(shí)時(shí)在線仿真器通過USB接口直接連接到電腦，實(shí)現(xiàn)對礦井下人員的實(shí)時(shí)定位跟蹤。表1給出了分別采用三角質(zhì)心定位算法和加權(quán)三角質(zhì)心定位算法的定位誤差。從表1不難看出，采用加權(quán)三角質(zhì)心定位算法的定位誤差較小，說明定位坐標(biāo)越接近節(jié)點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)，定位精度越高。

為了保障礦井下人員的安全，對他們在井下的位置和情況的及時(shí)掌握，本文設(shè)計(jì)了一種基于CC2431的井下人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)以CC2430作為參考節(jié)點(diǎn)，CC2431作為跟蹤定位節(jié)點(diǎn)，井下人員的位置坐標(biāo)由CC2431的定位引擎通過接收參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值并經(jīng)過定位算法計(jì)算得到。為了提高定位精度，本文還設(shè)計(jì)了一種基于RSSI的加權(quán)三角形質(zhì)心定位算法。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該定位系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性。該定位系統(tǒng)在室內(nèi)無線定位領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂源，李軍. 基于CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（2）：103-105.

[2]R. M. Vaghefi， M. R. Gholami and E. G. Strom. RSS-based sensor localization with unknown transmit power[C]. Proceedings of international Conference of Acoustics，Speech， Signal Process（ICASSP'11）， Czech Republic， 2011：3284-3287.

[3] 李俊霞，陳峰. 井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013，41（2）：165-169.

[4]G. Wang and K. Yang. A New Approach to Sensor Node Localization Using RSS Measurements in Wireless Sensor Networks[J]. IEEE Transactions Wireless Communication， 2011， 10（5）：1389–1395.

[5]葉阿勇，許力，林暉.基于RSSI的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安全定位機(jī)制[J].通信學(xué)報(bào)，2012，33（7）：135-142.