楊國(guó)良

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

裝有貨物的半密閉船艙內(nèi)部環(huán)境十分惡劣，建立用于半密閉船艙的人員定位系統(tǒng)，對(duì)于預(yù)防事故的發(fā)生與人員的搜救都有著極為重要的意義。類(lèi)似于船艙等特殊的工作場(chǎng)景，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號(hào)傳輸率低等特點(diǎn)，目前沒(méi)有一個(gè)很好的定位解決方案。因此，設(shè)計(jì)一套定位精準(zhǔn)，低功耗，可靠傳輸?shù)娜藛T定位系統(tǒng)意義重大。

本文將DecaWave公司的DWM1000模塊集成到WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中。采用最新的UWB技術(shù)，利用脈沖信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，進(jìn)而對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。相對(duì)于其他的一些無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)而言，UWB有著發(fā)射功率較低，傳輸速率塊，穿透能力強(qiáng)并且是基于極窄脈沖的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，無(wú)載波等優(yōu)點(diǎn)[1]。結(jié)合WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的低功耗和可靠的良好特性，該系統(tǒng)能很好地部署在半密閉船艙的環(huán)境中并完成工作人員的定位。

1 W irelessHART技術(shù)

WirelessHART（Wireless Highway Addressable Remote Transducer）是HART通訊基金會(huì)為工業(yè)過(guò)程控制研制的一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是第一個(gè)用于過(guò)程控制的國(guó)際無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（IEC 62591），支持 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的 2.4GHz ISM 頻段[2]。WirelessHART是一種具有時(shí)鐘同步、自組織和可治愈的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有低成本、低功耗、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，其能夠快速兼容現(xiàn)有有線(xiàn)設(shè)備工具和系統(tǒng)[3]。WirelessHARTTM技術(shù)進(jìn)一步促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[4]。

2 定位系統(tǒng)的整體框架

系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1所示，定位系統(tǒng)由硬件平臺(tái)與上位機(jī)軟件組成。硬件系統(tǒng)是由網(wǎng)關(guān)，基站和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)三部分組成。網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)接收上位機(jī)發(fā)送來(lái)的命令，進(jìn)行WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，初始化設(shè)置以及對(duì)該網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步與管理?；竟?jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì) UWB脈沖信號(hào)TOA數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與傳輸，將WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)處理TOA數(shù)據(jù)，調(diào)用定位算法將標(biāo)簽的位置以圖形化和坐標(biāo)的形式顯示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 Sy stem framework

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)部署

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成DecaWave公司開(kāi)發(fā)的DW1000芯片，其兼容IEEE802.15.4-2011協(xié)議的超寬帶無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯，在實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中用于物體的定位，精度高達(dá)厘米級(jí)別[5]。本系統(tǒng)中一個(gè)定位區(qū)域內(nèi)部署1個(gè)網(wǎng)關(guān)和4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)細(xì)節(jié)。錨節(jié)點(diǎn)是坐標(biāo)位置已知的固定節(jié)點(diǎn)，它的存在是為了給移動(dòng)的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo)提供數(shù)據(jù)支持的。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)則是船艙工作者隨身攜帶的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其位置通過(guò)調(diào)用定位算法得出。節(jié)點(diǎn)部署完成后，網(wǎng)關(guān)會(huì)和定位區(qū)域中的各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)通信，完成網(wǎng)絡(luò)的初始化和組網(wǎng)工作。

3.2 克拉美羅下界

克拉美羅下界（Cramer-Rao Lower Bound, CRLB）是TOA估計(jì)算法在理論上的一個(gè)界限值[6]，文獻(xiàn)[7-8]對(duì)于單一路徑的加性高斯白噪聲信道，通過(guò)數(shù)學(xué)理論證明從 TOA估計(jì)中獲取的能夠?qū)崿F(xiàn)的最佳精度的距離估計(jì)滿(mǎn)足下列不等式

（1）式中，C為光速，SNR為信道信噪比，β為有效信號(hào)帶寬，其定義為：

其中，S(f)為發(fā)送信號(hào)的傅里葉變換。

由（1）（2）兩式可以得出，提高信噪比或者加大有效帶寬都可以有效的提高TOA估計(jì)的精度，由于UWB具有相當(dāng)大的帶寬，所以基于TOA的定位技術(shù)可以充分利用 UWB高帶寬的特性實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可靠的定位。

3.3 DS 測(cè)距（Double-sided Two-way Ranging）

標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)間距離的測(cè)量是 TOA定位技術(shù)的關(guān)鍵，與單邊測(cè)距相比，雙邊測(cè)距在單邊測(cè)距的基礎(chǔ)上再增加一次通訊，兩次通訊的時(shí)間可以互相彌補(bǔ)因?yàn)闀r(shí)鐘偏移引入的誤差[9]，其中測(cè)距過(guò)程如圖2所示。

圖2 DS 測(cè)距示意圖Fig.2 DS range mapping

標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)首先向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送POLL數(shù)據(jù)包，并記下發(fā)送時(shí)間T1，并在一段時(shí)間后打開(kāi)RX。錨節(jié)點(diǎn)要提前打開(kāi)接收，收到POLL數(shù)據(jù)包后，記錄時(shí)間 T2。錨節(jié)點(diǎn)在 T3(T3=T2+Treply1)時(shí)刻發(fā)送Response數(shù)據(jù)包，發(fā)送完成之后打開(kāi) RX。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)收到 Response數(shù)據(jù)包，記錄時(shí)間 T4，并在T5(T5=T4+ Treply2)發(fā)送Final數(shù)據(jù)包。錨節(jié)點(diǎn)收到Final數(shù)據(jù)包后，記錄時(shí)刻 T6。根據(jù) 6個(gè)時(shí)刻值可以推出一次雙邊通信中電磁波的飛行時(shí)間Tprop為

其中Tround1 = T4 - T1 Tround2 = T6 - T3 Treply1 = T3 - T2 Treply2 = T5 - T4

Tprop乘以光速則為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)兩者之間的距離。標(biāo)簽移動(dòng)節(jié)點(diǎn)測(cè)量獲得到其與網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離后，將此數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)調(diào)用定位算法則可以計(jì)算出標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置。

3.4 極大似然估計(jì)法

TOA定位技術(shù)根據(jù)是信號(hào)到達(dá)時(shí)間差為理論基礎(chǔ)完成定位的。在立體空間中需要四個(gè)固定基站，在二維平面則需要三個(gè)基站。當(dāng)發(fā)射信號(hào)從標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)到基站的時(shí)間為t，那么時(shí)間t乘以電磁波的傳播速度可以得到標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)到參考基站的距離，同理，可以獲得此標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與其他基站的距離。以?xún)烧叩木嚯x為半徑做圓，由幾何知識(shí)可知，三個(gè)圓的交點(diǎn)為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置[10]。原理如圖3所示。

圖3 二維空間TOA定位原理圖Fig.3 T wo-dimensional space TOA positioning principle diagram

假設(shè)移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)得到其與三個(gè)以上并且不位于同一直線(xiàn)的基站節(jié)點(diǎn)之間的距離時(shí)，

極大似然估計(jì)算法的基本思想可以描述為：

當(dāng)有n個(gè)參考節(jié)點(diǎn)1, 2, 3…n，設(shè)它們的坐標(biāo)分別為(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)…(xn，yn)，位置未知的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)為 M，其坐標(biāo)為(x，y)，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn) M到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1，d2，d3…dn，則有

將方程組（4）整理成AX=b的形式，其中

通過(guò)最大似然估計(jì)方法，可以得到標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)M的坐標(biāo)位置(x,y)[11]：

3.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件系統(tǒng)是基于 C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。按其功能可以分為數(shù)據(jù)獲取、定位計(jì)算和圖形界面顯示層三部分。數(shù)據(jù)獲取層完成與網(wǎng)關(guān)的通信，通過(guò)以太網(wǎng)將標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與每個(gè)基站之間的距離傳送給上位機(jī)。定位計(jì)算層對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，調(diào)用定位算法對(duì)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行定位。圖形界面提供定位顯示界面，支持地圖導(dǎo)入模式，將標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置實(shí)時(shí)的顯示在地圖上。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)以學(xué)校工科實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所進(jìn)行測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)10.4米，寬7.2米。實(shí)驗(yàn)室有各種實(shí)驗(yàn)儀器儀表，多張?jiān)囼?yàn)臺(tái)，工作環(huán)境比較復(fù)雜，可以比較貼近的模擬船艙內(nèi)的工作環(huán)境。實(shí)驗(yàn)將 4個(gè)基站節(jié)點(diǎn)分別放在實(shí)驗(yàn)室的四個(gè)角的位置，網(wǎng)關(guān)安放在任意的的試驗(yàn)臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)人員手持標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)圍繞試驗(yàn)臺(tái)隨機(jī)的移動(dòng)。從上位機(jī)軟件可以觀察到操作人員的移動(dòng)軌跡。定位結(jié)束后，上位機(jī)軟件會(huì)自動(dòng)的保存標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的位置坐標(biāo)，從而達(dá)到定位跟蹤的作用。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

基站節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置如下表1所示。

隨機(jī)的在實(shí)驗(yàn)區(qū)域選取 5個(gè)點(diǎn)作為定位測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)均測(cè)試10次取其平均值作為實(shí)驗(yàn)值。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表2。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出該定位系統(tǒng)在隨機(jī)的 5個(gè)測(cè)試點(diǎn)中，定位最精準(zhǔn)的測(cè)量誤差為 8.6 cm，最大的定位誤差僅為14.5 cm，平均誤差為10.96 cm。相比于Zigbee，Wifi與RFID等傳統(tǒng)的定位模式，結(jié)合WirelessHART與UWB的定位系統(tǒng)具有更高的定位精度。本文的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的選擇具有一定的代表性，實(shí)驗(yàn)定位也有著較高的精度，所以該方案具有一定的實(shí)用性。

5 結(jié)論

圖4 上位機(jī)軟件界面Fig.4 Host computer software interface

表1 實(shí)際位置坐標(biāo)Tab.1 Actual position coordinates

表2 實(shí)驗(yàn)位置坐標(biāo)Tab.2 Expe rimental position coordinates

本文研究并設(shè)計(jì)了一套適用于半密閉船艙等特殊場(chǎng)景的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)完成了 WirelessHART與DWM1000模塊的集成，利用UWB與DS測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)了TOA數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的傳輸與極大似然估計(jì)算法完成了比較精確的定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該定位系統(tǒng)可以部署在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，并且定位精度可以達(dá)到10 cm以?xún)?nèi)。本實(shí)驗(yàn)僅在定位系統(tǒng)中只存在單個(gè)標(biāo)簽的環(huán)境下進(jìn)行，當(dāng)有多個(gè)移動(dòng)標(biāo)簽加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)避免標(biāo)簽彼此之間的干擾同時(shí)達(dá)到更高的定位精度是下一步的研究工作。

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