鄭州大學西亞斯國際學院 李銳君 董素鴿

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工業(yè)物聯(lián)網中的節(jié)點定位研究

鄭州大學西亞斯國際學院 李銳君 董素鴿

【摘要】針對工業(yè)物聯(lián)網的特點，首先利用基于工業(yè)物聯(lián)網虛擬令牌控制的MAC協(xié)議，采用接收信號強度多次測距的雙曲線定位算法提出適用于工業(yè)物聯(lián)網的定位模型。最后在硬件平臺上實現(xiàn)節(jié)點定位，并通過定位監(jiān)控軟件對節(jié)點的定位運行情況進行實時監(jiān)控，監(jiān)控顯示定位效果能滿足工業(yè)物聯(lián)網的要求，且工業(yè)物聯(lián)網協(xié)議嵌入定位后運行穩(wěn)定。

【關鍵詞】工業(yè)物聯(lián)網；定位模型；雙曲線定位；實時監(jiān)控

0 引言

物聯(lián)網技術的快速發(fā)展，在工業(yè)測控領域中的應用得到了極大的關注［1～2］。工業(yè)物聯(lián)網（ Industrial Internet of Things）是一種在數(shù)據(jù)鏈路層利用令牌機制實現(xiàn)具有實時通信傳輸功能的網絡，用于完成工廠車間層的自動化控制系統(tǒng)［3］。針對工廠車間層移動對象的定位問題研究可以為其路由算法優(yōu)化、網絡管理以及覆蓋率評估提供很大的幫助，并且節(jié)點的協(xié)同休眠以及監(jiān)測節(jié)點的活動信息也需要定位技術［3］，因此工業(yè)物聯(lián)網中節(jié)點定位技術成為了其研究中的一個熱點。

論文工業(yè)物聯(lián)網協(xié)議嵌入由錨節(jié)點基于信號場強測距和雙曲線數(shù)學模型的定位算法，提出適用于工業(yè)物聯(lián)網定位模型，并通過定位監(jiān)控軟件對節(jié)點定位的運行情況進行實時監(jiān)控，監(jiān)控顯示定位效果能滿足無線物聯(lián)網的要求，而且工業(yè)物聯(lián)網協(xié)議在嵌入定位后運行穩(wěn)定。

1 節(jié)點定位

1.1 定位算法

根據(jù)工業(yè)物聯(lián)網的特點，節(jié)點定位算法須滿足以下條件：①計算量不能太復雜；②增加的設備給系統(tǒng)的影響最小或者不增加外部硬件設備；③低功耗。利用基于信號強度的三邊測量法［4］，可以得到方程式（1），設方程中三個錨節(jié)點Ri的坐標為（xi，yi），未知定位節(jié)點的坐標為（x，y），錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離為di為：

考慮到在相同的無線工業(yè)控制網絡中，由多徑衰落引起的誤差具有相同的反射體而具有相關性，從而兩個接收信號強度RSSI值中，誤差是非常相似的。令di，1為未知節(jié)點與第i個錨節(jié)點距離差，得到式（2）。

在幾何上，式（2）表現(xiàn)為一條雙曲線，i為不同值時，式（2）成為方程組，若到達錨節(jié)點的信號為視距傳輸且沒有測量誤差，那么所有的雙曲線將交同一點，即目標Tag節(jié)點的坐標（x，y），求解該方程組即能獲得未知節(jié)點的估計位置。

由式（2）得：

式（3）即是式（1）的平方：

而：

式（4）減式（5）可得：

把x，y看作未知量，求解線性方程組（6）就能獲得目標節(jié)點Tag的估計位置。

為簡單計算，將三個錨節(jié)點置于如下坐標系統(tǒng)：

則：

式（6）可以簡化為：

式（7）減式（8）然后消去d1可得，可得簡化結果：

其中：

其中：

將（11）式代入（9）式中，即可以得到未知節(jié)點的位置（x，y）。

1.2 定位模型

工業(yè)物聯(lián)網的定位模型如圖1所示，假設工業(yè)物聯(lián)網定位系統(tǒng)中有主站Sink節(jié)點和7個從站。7個從站包括1個需定位的待測節(jié)點Tag、3個錨節(jié)點（R1、R2、R3）和3個一般節(jié)點（N1、N2、N3）。

圖1 定位模型

首先主從站點按照工業(yè)物聯(lián)網基于虛擬令牌控制的MAC協(xié)議建立邏輯環(huán)，其中邏輯環(huán)如圖1中連接各站點的帶一端箭頭的黑色實線所構成的封閉曲線。

圖2 定位實現(xiàn)流程

當待測節(jié)點Tag有定位請求時，Tag廣播定位測距幀Solicit_Pos；各錨節(jié)點偵聽到定位測距幀Solicit_Pos立即分別獲取并記錄相關的定位信息，然后分別在獲得令牌時通過發(fā)送單播定位信息數(shù)據(jù)包Pos_Pkt將各自記錄的定位信息傳送給Sink節(jié)點，從而完成測距過程。

主站Sink通過串口UART將收集到的定位相關信息交付給PC定位中心。PC定位中心依據(jù)錨節(jié)點的已知坐標位置，并根據(jù)雙曲線定位算法進行計算處理，從而得到估計位置，完成對待測節(jié)點的定位。

2 定位的實現(xiàn)

實驗環(huán)境：網關節(jié)點Sink同時也是錨節(jié)點1；另外兩個錨節(jié)點Reader分別是節(jié)點2和節(jié)點3；1個待定位Tag是節(jié)點4；節(jié)點5和6是一般節(jié)點Node，定位實現(xiàn)流程如圖2所示。

定位監(jiān)控視圖如圖3所示，從圖3上方的Location Info信息欄，可看到待測節(jié)點Tag在定位過程中，三個已知位置的錨節(jié)點實時采集信號強度值以及定位處理得到的Tag估算坐標等相關信息由此實現(xiàn)了定位的實時監(jiān)控。

工業(yè)物聯(lián)網協(xié)議嵌入定位后的實時傳感數(shù)據(jù)曲線如圖4所示，根據(jù)節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，通過解析獲得節(jié)點所在位置的光強信息，然后用動態(tài)曲線描繪出來，不同節(jié)點的曲線用不同的顏色標示。從圖中可看出，定位功能的加入不影響傳感器數(shù)據(jù)的采集，工業(yè)物聯(lián)網協(xié)議運行穩(wěn)定。

3 結束語

該定位算法無需向系統(tǒng)中添加任何定位測量的專用設備，只需利用預先配置好的錨節(jié)點，監(jiān)控顯示定位效果能滿足工業(yè)無線控制網絡的要求，并且工業(yè)物聯(lián)網協(xié)議嵌入定位后系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

圖3 定位監(jiān)控視圖

圖4 嵌入定位的工業(yè)物聯(lián)網協(xié)議實時傳感數(shù)據(jù)

參考文獻

［1］Yuan Ting，Cui Shijie，Zhao Qingqi，etc. Research on the application of WIA industrial wireless technology in the substation auxiliary control system ［C］.CCC 2014 （10）﹕1528-1533.

［2］李忠峰.工業(yè)4.0核心是物聯(lián)網［N］.中國財經報，2015-4-28（第003版）.

［3］LU Li，F(xiàn)eng Dongqin，Chu Jian.Improving the real-time performance of Ethernet for plant automation （EPA） based industrial networks ［J］.Zhejiang Univ-sci C（computer & Electron），2013 14（6）﹕433-448

［4］柳飛，鄷廣增. 基于RSSI和反饋機制的無線傳感器網絡定位優(yōu)化算法［J］.南京郵電大學學報（自然科學版）m2015.35（2）﹕111-116.

基金項目：河南省科技廳2015年重點科技攻關項目（No.152102210344）， 河南省高等學校重點科研項目（16A510033）。

作者簡介：

李銳君（1982－），女，河南周口人，碩士，講師，主要研究方向為無線通信網絡，工業(yè)物聯(lián)網技術。

董素鴿（1983－），女，碩士，講師，主要研究微電子技術。