摘 要：文章結合抽水蓄能水電站的實際情況，重點對傳感網絡接入方式、傳輸網絡的構成以及傳輸網絡的多跳級聯(lián)進行闡述。我們首先提出了基于接收信號強度指示指標RSSI對所有測距的結果進行排序過濾，然后對信號強度越高的測距結果分配越高的計算權重，其對定位結果的影響越大，并且通過增加定位基站的數(shù)量來彌補電磁干擾的影響，最后對每個特定的定位基站進行有效測距距離。經過優(yōu)化后定位精度明顯提高。

關鍵詞：物聯(lián)網；傳感網；傳輸網；水電站；ToA；室內定位

1 概述

物聯(lián)網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網對于電網來說，并非一個全新的事物，相關技術已經“滲入”智能電網的各個環(huán)節(jié)，被用于信息采集、狀態(tài)監(jiān)測、回饋控制等，從而全方位提高智能電網各環(huán)節(jié)的信息感知深度和廣度。物聯(lián)網技術為提高電網效率、供電可靠性提供了技術支撐，RFID技術、各類傳感器、定位技術、圖像獲取技術等使倉庫管理、變電站監(jiān)控、搶修定位與調度、巡檢定位、故障識別等業(yè)務實現(xiàn)靈活、高效、可靠的智能化應用。

2 物聯(lián)網系統(tǒng)框架及軟硬件設計

文章設計的物聯(lián)網平臺系統(tǒng)架構如圖1所示。

平臺包括：2.4GHz定位基站，2.4GHz定位手持機，433MHz貼片式無線測溫傳感器，433MHz雙頻無線傳感器轉發(fā)基站，433MHz通信基站，433MHz通信匯聚端以及應用層上位機軟件。

2.1 貼片式無線傳感器節(jié)點

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用CC1101芯片，CC1101是Ti推出的ISM頻段無線收發(fā)芯片，其主要工作在433MHz-915MHz頻段，最大的輸出功率可達10dbm，靈敏度高，低功耗的電流，正常接收模式下為16mA，支持0-500Kbps的傳輸速率，支持多種調制模式并提供對同步字的檢測、地址的校驗，具有靈活的數(shù)據(jù)包長度以及支持自動CRC的處理。

2.2 貼片式無線測溫節(jié)點

文章無線節(jié)點采用的是一種星形網絡結構，軟件主要由以下幾方面組成：支持多跳和級聯(lián)的無線網絡通信協(xié)議、A/D轉換程序、外部中斷程序以及溫度采集通信程序。無線網絡協(xié)議程序主要包括無線協(xié)議的相關部分以及對傳感器信息的處理。A/D轉換程序主要是采集電池電壓。外部中斷程序主要是用于喚醒休眠的CC1101模塊。

3 抽水蓄能水電站定位系統(tǒng)設計

3.1 水電站室內定位系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

在室內環(huán)境下，很多遮擋物以及金屬對無線電波的反射等原因，能產生多徑干擾和非視距測距，它們對實際測距結果會造成較大的誤差。由于水電站地下廠房內遍布著金屬，電磁環(huán)境也比較復雜，必然會給測距結果帶來較大誤差，例如會產生有效測距距離過近的問題、非視距測距造成測量距離過大的問題。

3.2 有效測距距離過近的問題

表1中的數(shù)據(jù)是在水電站現(xiàn)場，用定位手持機對定位基站進行測距的測試結果，從結果可以看出在開闊的地下大廳一層有效測距的距離大概為25米左右，然而在向更遠的距離進行移動的時候，基本測量不到距離結果，唯一測量到的距離值為78米，但是其真實距離為55米，所以看出復雜的電磁環(huán)境對測距結果干擾很嚴重。

ToA算法的測量距離和真實距離的關系為：d1服從N（d，σ2）分布，其中d1是測量距離，d是定位手持機和定位基站之間的真實距離，σ2是測量方差。σ大小與d成正比例，真實距離越大，測量誤差就越大。在非視距測距的情況下，測距誤差為1%左右。雖然室內環(huán)境的有效測距距離比較近，但是可以滿足ToA定位系統(tǒng)的應用。

3.3 非視距測距的影響

在對安裝了定位系統(tǒng)的地下廠房進行測試時，發(fā)現(xiàn)非視距測距對測距精度的影響很大，當出現(xiàn)如下情況的時候，就會產生非視距測距的現(xiàn)象，造成測距結果比真實結果大，嚴重影響定位的精度。如圖2所示，當手持機與定位基站之間的實際距離為15米時，由于它們之間存在著遮擋物，所以無線電波不能直線到達被測基站，實際的測距結果是通過與后側墻壁的反射后的距離。實際測距的距離為R1+R2≈35米，比實際距離大了15米。如果此測距結果用于最終的定位算法中，將會嚴重地影響定位的精度，從而得出工作人員在實際場景中跳來跳去的結果。

3.4 定位系統(tǒng)的優(yōu)化手段

3.4.1 對定位基站進行擴展參數(shù)設置

水電站地下大廳內一共布置了9個定位基站，因此理論上定位手持機最多可以測量到周圍9個定位基站的距離，但是最小二乘法等定位算法使用3組測距結果即可。從測試結果來看，每個定位基站的有效測量距離都在40米以內，并且由于遮擋物位置的不同，所以每個定位基站會有所差異。在數(shù)據(jù)庫端對每個定位基站進行有效的距離配置時，當出現(xiàn)超過此測量距離的數(shù)值時，可以直接過濾掉該數(shù)值，從而最大程度地避免多徑干擾和非視距測距距離對定位結果的影響。

3.4.2 對算法進行優(yōu)化

在傳統(tǒng)的ToA算法中，每組測距結果的N個測距值的權重是一樣的，這樣一個或幾個測距偏差比較大的測距值將直接導致定位結果誤差偏大。結合水電站的實際使用環(huán)境來看，接收信號強度數(shù)值越大的測距結果，其真實距離越遠，那么測量距離的誤差就可能越大。因為安裝的定位基站數(shù)量比較多，每個基站之間的間隔為25米，所以測距距離越近的越可靠是毋庸置疑的。

4 水電站現(xiàn)場室內定位結果

首先過濾掉不合理的ToA測距距離，在圖3中的“*”ToA代表用僅過濾后得到的ToA測距距離進行定位的位置結果，再根據(jù)接收信號強度指示指標RSSI對過濾后的ToA測距距離進行排序，并且對信號強度越高的測距結果分配越高計算權重，圖中“+”RSSI-ToA代表用排序加權后進行定位的位置結果。

5 結束語

在物聯(lián)網系統(tǒng)的基礎上，為了彌補ToA算法在水電站環(huán)境中的缺陷，通過RSSI確定不同的測量距離值分配不同的計算權重值，在水電站地理環(huán)境中放置多個定位基站來解決復雜的電磁環(huán)境下單個基站有效測距距離過近的問題，對各個基站設定不同的權重值和有效測距距離，最大程度地過濾掉不合適的測量距離值，從而加大可信度高的測距值的權重，使定位結果更接近于實際位置，提高了定位系統(tǒng)的精度。

參考文獻

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