劉 宇，劉多納，楊曉輝，楊 磊

(重慶郵電大學(xué) 光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.08

劉宇，劉多納，楊曉輝，等.無(wú)線Mesh自組網(wǎng)技術(shù)在室內(nèi)定位的應(yīng)用[J].無(wú)線電通信技術(shù),2018,44(1):39-42.

[LIU Yu，LIU Duona，YANG Xiaohui，et al.Application of Wireless Mesh Ad Hoc Network Technology in Indoor Positioning [J].Radio Communications Technology,2018,44(1):39-42.]

無(wú)線Mesh自組網(wǎng)技術(shù)在室內(nèi)定位的應(yīng)用

劉 宇，劉多納，楊曉輝，楊 磊

(重慶郵電大學(xué) 光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

針對(duì)目前一些要求較高的人員定位系統(tǒng)定位成本高、距離短、無(wú)法實(shí)時(shí)顯示多個(gè)人員位置等問(wèn)題，研究并設(shè)計(jì)一種基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)與慣性傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)解決了在室內(nèi)較為封閉的環(huán)境下無(wú)法實(shí)現(xiàn)人員定位和定位距離受限等關(guān)鍵性問(wèn)題。將慣性傳感器與無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，構(gòu)建完整的星型多路徑人員定位系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)試該定位系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，表明該定位系統(tǒng)能夠較好地滿足火災(zāi)救援等嚴(yán)峻工作環(huán)境下人員的定位需求。同時(shí)，與傳統(tǒng)室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的人員定位系統(tǒng)在組網(wǎng)的操作性、成本、穩(wěn)定性等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)；慣性傳感器；人員定位；自組網(wǎng)

TN391.4

A

1003-3114(2018)01-39-4

2017-10-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61301124，61471075，61671091)；重慶市科委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(cstc2014jcyjA1350)；重慶郵電大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(A2015-40)；重慶科委自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2016jcyjA0347)

ApplicationofWirelessMeshAdHocNetworkTechnologyinIndoorPositioning

LIU Yu,LIU Duona,YANG Xiaohui,YANG Lei

(Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectronic Information Sensing and Transmitting Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Some personnel positioning systems with higher requirements have such disadvantages as high positioning cost,short distance,unable to display real-time positions of multiple people,etc.In view of these problems,this paper studies and design an indoor positioning system based on Mesh network and inertial sensor.The system can implement personnel positioning in closed environment,and the positioning distance is not limited.Combining the advantages of wireless Mesh network with that of inertial sensor,a complete star multi-path staff positioning system is built.The test results show that this positioning system can better meet the requirements for personnel positioning in severe environment such as fire disaster.Compared with traditional indoor positioning system,the personnel positioning system based on Mesh network is advantageous in operatability,cost,stability,etc..

wireless Mesh network; inertial sensor; personnel positioning; ad hoc network

0 引言

隨著室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，多種室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。室內(nèi)定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)感知人員當(dāng)前所處的位置、狀態(tài)等信息，不僅可以達(dá)到定位人員了解自己所處位置的目的，在應(yīng)急救災(zāi)方面還可以讓外部人員清楚地知道內(nèi)部人員的位置和狀態(tài)，提高救援人員調(diào)度和管理的效率[1]。

文獻(xiàn)[2]利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤礦人員的定位，文獻(xiàn)[3]根據(jù)慣性導(dǎo)航與WSN的結(jié)合，設(shè)計(jì)了井下人員的定位系統(tǒng)，諸如此類的人員定位系統(tǒng)種類繁多，各有優(yōu)勢(shì)。基于此，本文在借鑒前人研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，利用慣性傳感器自組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的人員定位。

1 無(wú)線慣性傳感自組網(wǎng)技術(shù)

MEMS慣性傳感器在如今的室內(nèi)定位領(lǐng)域越發(fā)活躍，得到了廣泛運(yùn)用和快速發(fā)展。MEMS慣性傳感器擁有其他傳感器不具備的尺寸小、重量輕、功耗低等優(yōu)勢(shì)，且適合批量生產(chǎn)，能夠安裝在人體的頸、腰、足等身體部位，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地感知人體的位置和姿態(tài)等信息，再通過(guò)無(wú)線通信的方式將這些數(shù)據(jù)發(fā)出就可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人員的定位[3]。多數(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)會(huì)選擇Wi-Fi、GPRS等無(wú)線通信方式，這些方式都需要提前布點(diǎn)，只能在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行定位，當(dāng)面對(duì)復(fù)雜惡劣環(huán)境或突發(fā)事件，以上定位方式并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)可言[4]。本文使用慣性傳感器自組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的人員定位。能夠不受環(huán)境的約束，靈活使用，對(duì)更好地解決各種復(fù)雜環(huán)境下的組網(wǎng)任務(wù)具有重要的理論和實(shí)際意義[5]。

2 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)將無(wú)線局域網(wǎng)和移動(dòng)自組網(wǎng)相結(jié)合，是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，代表了無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向，近幾年得到了人們的廣泛關(guān)注。無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)是低功率的多級(jí)跳點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，它是把信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到信息到達(dá)目的地。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)過(guò)濾信號(hào)只接收自己需要的信息，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)接收到要傳給其他節(jié)點(diǎn)的信息時(shí)，會(huì)像中繼一樣把它們?cè)俅蝹魉统鋈6]。

圖1 Mesh網(wǎng)絡(luò)示意圖

因此每個(gè)無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以作為接入終端，也具有路由和信息轉(zhuǎn)發(fā)的功能，具有極高的組網(wǎng)自由度。無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)還提供從源節(jié)點(diǎn)到目的地的多條冗余通信路徑。如果一條路徑由于故障或干擾而停止工作，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)改變傳輸?shù)穆窂?，使信息通過(guò)其他路徑傳輸[7]。

Mesh網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)協(xié)議是針對(duì)硬件資源條件苛刻的移動(dòng)自組網(wǎng)設(shè)計(jì)的，適用于移動(dòng)速度快、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，有對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化敏感、網(wǎng)絡(luò)吞吐量高等優(yōu)勢(shì)[8]。

3 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室內(nèi)定位系統(tǒng)需要感知人員的實(shí)時(shí)位置，這不僅要通信距離遠(yuǎn)、速度快，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也經(jīng)常改變，屬于比較苛刻的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)[9]。

傳統(tǒng)的室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)需要提前布點(diǎn)或利用有線網(wǎng)絡(luò)。本文要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何建立靈活的無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)。采用Mesh 路由協(xié)議就可以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源、平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、改善通信性能、避免網(wǎng)絡(luò)震蕩[10]，以適應(yīng)室內(nèi)定位系統(tǒng)這樣快速變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且有強(qiáng)大的功能和很好的可擴(kuò)展性，方便在網(wǎng)絡(luò)中增加定位的人數(shù)。

本定位系統(tǒng)主要用于復(fù)雜密閉環(huán)境下室內(nèi)人員實(shí)時(shí)定位問(wèn)題，尤其是在無(wú)法傳輸無(wú)線信號(hào)的地下礦井或車庫(kù)里，面對(duì)地震火災(zāi)等突發(fā)情況，不需要提前布置網(wǎng)關(guān)，也不用借助有線網(wǎng)絡(luò)，定位系統(tǒng)組網(wǎng)快速靈活，解決了當(dāng)今的定位系統(tǒng)成本高、速度慢等問(wèn)題，有很大的實(shí)用價(jià)值。

3.1 定位系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本室內(nèi)定位系統(tǒng)由定位終端節(jié)點(diǎn)、中繼器、集中器和上位機(jī)電腦組成，是一個(gè)以上位機(jī)為中心，定位終端和中繼器為節(jié)點(diǎn)的星形網(wǎng)絡(luò)。定位終端節(jié)點(diǎn)需要佩戴在人員腰部，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，并將解算后的位置信息通過(guò)無(wú)線發(fā)送至中繼或者上位機(jī)電腦。中繼器和集中器的作用是將上位機(jī)的命令傳輸給定位終端節(jié)點(diǎn)以及將定位節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。上位機(jī)會(huì)依次發(fā)送指令給定位節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收到指令便發(fā)送解算后的數(shù)據(jù)，沒(méi)有收到指令的節(jié)點(diǎn)處于等待狀態(tài)，上位機(jī)收到各組數(shù)據(jù)后在界面上顯示每個(gè)定位人員的軌跡和位置。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 室內(nèi)定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 定位節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

定位終端節(jié)點(diǎn)包含感知人員位置和姿態(tài)等信息的傳感器模塊。微處理器選用ST公司的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列，該處理器指令豐富，提供了JTAG接口用于程序的下載與調(diào)試，還包含了大量的I/O接口，方便上位機(jī)讀取串口數(shù)據(jù)，具有高性能、易于開(kāi)發(fā)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。MEMS加速度計(jì)使用Murata公司所生產(chǎn)的SCC2230-E02，能同時(shí)采集3個(gè)軸向的加速度值，穩(wěn)定性較好，可靠性高。本文選用的磁力計(jì)型號(hào)為SMAG3，具有廣泛的測(cè)量范圍。能夠完全滿足定位系統(tǒng)的需求。無(wú)線通信模塊選用的是基于SX1278芯片的低功率433 MHz無(wú)線Mesh組網(wǎng)模塊，由標(biāo)準(zhǔn)供電電源DC 5V/0.5A供電。定位終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 定位終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

中繼和集中器也使用和定位終端相同的Mesh組網(wǎng)模塊。接收端同樣使用該Mesh組網(wǎng)模塊，并通過(guò)USB接口連接上位機(jī)PC，接收定位終端、中繼和集中器發(fā)出的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上位機(jī)解算后顯示在界面上。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)功能的不同，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為定位節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)界面的程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用Keil μVision5。終端節(jié)點(diǎn)的作用主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。設(shè)備上電后，首先采集陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再通過(guò)數(shù)據(jù)融合、濾波等方法解算節(jié)點(diǎn)的姿態(tài)信息，得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的航向，最后通過(guò)航位推算得到節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的位置信息，最終實(shí)現(xiàn)定位節(jié)點(diǎn)位置信息的確定。位置信息推算流程如圖4所示。解算出來(lái)的信息由通信模塊發(fā)送。

圖4 位置信息確定流程圖

本系統(tǒng)采用Mesh網(wǎng)絡(luò)的輕量動(dòng)態(tài)多徑路由協(xié)議，該路由協(xié)議可以最大限度減小路由建立和維護(hù)過(guò)程的開(kāi)銷，能夠在多條路徑并行進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。將上位機(jī)接收端的模塊設(shè)置為Master模式，而其他模塊為Slave模式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形網(wǎng)。上位機(jī)通過(guò)輪詢的方式與定位節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行無(wú)線傳輸。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式包括6個(gè)8位數(shù)據(jù)，從高位到低位依次是：x軸數(shù)據(jù)、y軸數(shù)據(jù)、z軸數(shù)據(jù)、高度、航向和姿態(tài)，最后是校驗(yàn)位。具體方法為：上位機(jī)依次向定位終端發(fā)送指令，接收到指令的定位終端便向上位機(jī)返回解算的數(shù)據(jù)，其他終端處于等待狀態(tài)。如果定位終端無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)，就先發(fā)送給中繼器或集中器，由中繼器轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。

將每個(gè)無(wú)線中繼器和集中器節(jié)點(diǎn)的通信模塊配置成自組網(wǎng)模式，中繼器接收到上位機(jī)或定位終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后再次轉(zhuǎn)發(fā)，利用模塊的自動(dòng)路由功能就能實(shí)現(xiàn)中繼功能。在密閉空間或距離較遠(yuǎn)的情況下，上位機(jī)和定位終端無(wú)法直接通信，中繼器位于兩者的通信范圍之內(nèi)，就可以完成節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)間信息的相互傳輸。

上位機(jī)界面的創(chuàng)建利用專業(yè)的三維實(shí)體模型軟件Unity 3D，模型可以快速地創(chuàng)建、修改、導(dǎo)出和渲染。首先收集整理建筑物的設(shè)計(jì)圖紙、照片等，利用PS等軟件處理，以滿足建模要求，再利用Unity 3D進(jìn)行模型創(chuàng)建并優(yōu)化，提高逼真度，達(dá)到建筑物真實(shí)的效果。上位機(jī)界面也會(huì)依靠無(wú)線Mesh模塊向外發(fā)送指令，當(dāng)接收到定位終端返回的數(shù)據(jù)后，界面將數(shù)據(jù)解算成圖上的軌跡，這樣就顯示了定位人員走過(guò)的路線和當(dāng)前的位置，而界面上的窗口還可以直接顯示其坐標(biāo)，外部人員就可以得知定位人員的位置姿態(tài)等信息了。上位機(jī)軌跡圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軌跡圖

4 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

系統(tǒng)搭建完成后，對(duì)定位系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。系統(tǒng)性能測(cè)試的地點(diǎn)在教學(xué)樓內(nèi)，選取初始位置的坐標(biāo)為(0,0,0)，定位人員在腰部佩戴定位終端，上位機(jī)將獲取人員行走的軌跡和位置。

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得1跳通信延遲約為90 ms，2跳通信延遲約為196 ms，從而能夠滿足人員的實(shí)時(shí)定位。定位人員在教學(xué)樓內(nèi)隨意行走約2 min后回到初始位置，得到坐標(biāo)數(shù)據(jù)(x,y,z)。相對(duì)誤差為:

平均誤差為：

采集10組坐標(biāo)數(shù)據(jù)并計(jì)算相對(duì)誤差，如表1所示。

表1 定位系統(tǒng)坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)

次數(shù)初始坐標(biāo)結(jié)果相對(duì)誤差12345678910(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0．6，0．4，0．1)(0．5，0．4，0)(0．2，0．6，0．2)(0．8，0．5，0．2)(0．5，0．5，0．1)(0．1，0．8，0)(0．5，0．6，0．1)(0．7，0．5，0．3)(0．3，1．0，0．2)(0．6，0．4，0．1)0．230．640．660．960．710．80．790．911．060．73

表2 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)帶寬

測(cè)試項(xiàng)距離/m帶寬/Mbit·s-1延時(shí)/s點(diǎn)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)2跳通信3跳通信4跳通信10020030060090012001．11．01．01．01．21．10．380．640．981．962．743．71

通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可以看出基于Mesh的無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)能夠較好地運(yùn)用到室內(nèi)定位系統(tǒng)中。該定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地獲取各個(gè)區(qū)域內(nèi)人員的位置姿態(tài)等信息，及時(shí)地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)界面上，外部的人員可以準(zhǔn)確掌握室內(nèi)人員的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。如果發(fā)生危險(xiǎn)，也方便救援人員能夠及時(shí)到達(dá)事發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行搶險(xiǎn)。同時(shí)，在一般的生產(chǎn)中也方便管理人員進(jìn)行調(diào)度和分配，提高生產(chǎn)與管理效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)當(dāng)今存在的多種無(wú)線傳感自組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了分析，通過(guò)結(jié)合無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，研究并運(yùn)用了一種基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)與慣性傳感器的自組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了完整的星型多路徑人員定位系統(tǒng)。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可知：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)人員定位系統(tǒng)的基本功能，能夠在上位機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)人員的位置和姿態(tài)等信息，可以靈活改變定位網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和區(qū)域。與傳統(tǒng)室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，在組網(wǎng)的操作性、成本、穩(wěn)定性等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)還可以實(shí)現(xiàn)多種通信方式混合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)高精度“全覆蓋”的定位網(wǎng)絡(luò)。

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劉宇(1972―)，男，教授，碩士生導(dǎo)師,主要研究方向：固態(tài)振動(dòng)陀螺和光電傳感技術(shù)；

劉多納(1992―)，男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

楊曉輝(1994―)，男，碩士研究生，主要研究方向：傳感器件與系統(tǒng)；

楊磊(1992―)，男，碩士研究生，主要研究方向：傳感器件。