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        工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點定位研究

        2016-06-02 03:09:43鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院李銳君董素鴿
        電子世界 2016年9期
        關(guān)鍵詞:實時監(jiān)控

        鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院 李銳君 董素鴿

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        工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點定位研究

        鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院 李銳君 董素鴿

        【摘要】針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特點,首先利用基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)虛擬令牌控制的MAC協(xié)議,采用接收信號強(qiáng)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(wǎng)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(jìn)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(wǎng)的要求,且工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議嵌入定位后運行穩(wěn)定。

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

        0 引言

        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,在工業(yè)測控領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了極大的關(guān)注[1~2]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)( Industrial Internet of Things)是一種在數(shù)據(jù)鏈路層利用令牌機(jī)制實現(xiàn)具有實時通信傳輸功能的網(wǎng)絡(luò),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(wǎng)絡(luò)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(shù)[3],因此工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點定位技術(shù)成為了其研究中的一個熱點。

        論文工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議嵌入由錨節(jié)點基于信號場強(qiáng)測距和雙曲線數(shù)學(xué)模型的定位算法,提出適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(jìn)行實時監(jiān)控,監(jiān)控顯示定位效果能滿足無線物聯(lián)網(wǎng)的要求,而且工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)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(fù)雜;②增加的設(shè)備給系統(tǒng)的影響最小或者不增加外部硬件設(shè)備;③低功耗。利用基于信號強(qiáng)度的三邊測量法[4],可以得到方程式(1),設(shè)方程中三個錨節(jié)點Ri的坐標(biāo)為(xi,yi),未知定位節(jié)點的坐標(biāo)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(wǎng)絡(luò)中,由多徑衰落引起的誤差具有相同的反射體而具有相關(guān)性,從而兩個接收信號強(qiáng)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(dá)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(biāo)Tag節(jié)點的坐標(biāo)(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(biāo)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(biāo)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(jié)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(wǎng)的定位模型如圖1所示,假設(shè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)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(gòu)成的封閉曲線。

        圖2 定位實現(xiàn)流程

        當(dāng)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(guān)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(guān)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(biāo)位置,并根據(jù)雙曲線定位算法進(jìn)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(wǎng)關(guān)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(qiáng)度值以及定位處理得到的Tag估算坐標(biāo)等相關(guān)信息由此實現(xiàn)了定位的實時監(jiān)控。

        工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(qiáng)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(biāo)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(wǎng)協(xié)議運行穩(wěn)定。

        3 結(jié)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(shè)備,只需利用預(yù)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(wǎng)絡(luò)的要求,并且工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)協(xié)議實時傳感數(shù)據(jù)

        參考文獻(xiàn)

        [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(wǎng)[N].中國財經(jīng)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(jī)制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位優(yōu)化算法[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)m2015.35(2)﹕111-116.

        基金項目:河南省科技廳2015年重點科技攻關(guān)項目(No.152102210344), 河南省高等學(xué)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(wǎng)絡(luò),工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

        董素鴿(1983-),女,碩士,講師,主要研究微電子技術(shù)。

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