基于ZigBee中繼器礦山井下人員定位算法

張亞琳

摘 要：文中提出了一種基于ZigBee中繼器的礦山井下人員定位算法。該算法基于ZigBee的接受信號(hào)強(qiáng)度模型，使用三角質(zhì)心定位算法以降低環(huán)境因素對(duì)定位算法的影響。同時(shí)，使用合理的去噪方法，以減少無線信號(hào)的噪聲干擾并增強(qiáng)定位算法的健壯性和精確度，從而使其能夠應(yīng)用于井下實(shí)時(shí)精確定位。

關(guān)鍵詞：ZigBee；人員定位；無線通訊；去噪

中圖分類號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）08-00-02

0 引 言

礦山安全事故頻發(fā)，井下人員定位系統(tǒng)是礦山安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分[1]。近年來，基于無線通信技術(shù)的系統(tǒng)已被應(yīng)用在礦山生產(chǎn)中以進(jìn)行人員定位 [2]。ZigBee無線通信技術(shù)作為一種新興的最具代表性的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[3]，由于ZigBee設(shè)備具有低功耗、低成本、使用便捷等顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此各大礦用產(chǎn)品生產(chǎn)廠家也開始嘗試在礦山井下組建ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，積極研發(fā)基于ZigBee無線通信技術(shù)的井下人員管理系統(tǒng)。本文提出了一種基于ZigBee的中繼器礦山井下人員定位系統(tǒng)。

1 井下人員定位算法

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

文中提出的礦山井下人員定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該系統(tǒng)中，讀卡器主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、收集信息以及與分站通信。一旦讀卡器建立好網(wǎng)絡(luò)，其他設(shè)備（如中繼器）就可以加入網(wǎng)絡(luò)。由于中繼器具有多級(jí)消息轉(zhuǎn)發(fā)功能且在安裝時(shí)位置是固定的，所以管理人員可以根據(jù)實(shí)際情況在中心站上為讀卡器和中繼器分配好坐標(biāo)，當(dāng)識(shí)別卡進(jìn)入中繼器或讀卡器的通信范圍時(shí)，會(huì)主動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，并和中繼器通信，中繼器將自己的位置信息發(fā)送給識(shí)別卡，識(shí)別卡根據(jù)收到的中繼器的位置信息和信號(hào)強(qiáng)度信息進(jìn)行定位計(jì)算，并最終將自己的位置信息通過中繼器傳送給讀卡器，讀卡器將識(shí)別卡信息通過分站傳送給中心站顯示。

1.2 人員定位

系統(tǒng)進(jìn)行人員定位主要分七個(gè)步驟進(jìn)行：

（1）使用讀卡器創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)；

（2）將中繼器加入網(wǎng)絡(luò)，并向讀卡器發(fā)送自己的坐標(biāo)信息，這時(shí)與讀卡器相連接的PC機(jī)就可以獲得該中繼器的信息，并可對(duì)中繼器進(jìn)行坐標(biāo)配置；

（3）識(shí)別卡加入網(wǎng)絡(luò)，并廣播位置請(qǐng)求；

（4）所有通信范圍內(nèi)的中繼器收到位置請(qǐng)求信息后回復(fù)應(yīng)答信息；

（5）識(shí)別卡收到應(yīng)答信息后，取所有范圍內(nèi)中繼器的RSSI值[4]，可以取同一地址多次RSSI的值做平均；

（6）識(shí)別卡收到請(qǐng)求信息后，利用前面測(cè)得的RSSI值進(jìn)行差分修正定位計(jì)算，并把定位計(jì)算出的坐標(biāo)值發(fā)給讀卡器；

（7）讀卡器收到識(shí)別卡發(fā)來的信息后，通過分站傳送給中心站，中心站進(jìn)行上位機(jī)的處理工作。

1.3 定位算法

在礦山井下人員定位系統(tǒng)中，最重要的是定位算法。學(xué)術(shù)界已有大量關(guān)于無線設(shè)備間距離估計(jì)和定位的研究[4，5]。在基于測(cè)距的定位算法中，接收信號(hào)強(qiáng)度指示 （Received Signal Strength Indicator，RSSI）是最常用的算法之一[4]。

基于接收信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距是一種廉價(jià)的測(cè)距技術(shù)，也是本文測(cè)距算法的基礎(chǔ)。已知發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算信號(hào)在傳播過程中的損耗，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。該技術(shù)硬件要求較低、算法相對(duì)簡(jiǎn)單，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)良好，但由于環(huán)境因素的變化，其在實(shí)際應(yīng)用中往往還需要改進(jìn)。

由于環(huán)境的復(fù)雜性，一般信號(hào)在干擾下衰減程度會(huì)更快，在大多數(shù)情況下根據(jù)RSSI測(cè)距得到的距離一般總大于實(shí)際距離。根據(jù)這個(gè)特性，文中利用三角質(zhì)心定位算法來計(jì)算近似的盲節(jié)點(diǎn)位置[6]。三角質(zhì)心定位算法原理圖如圖2所示。算法主要部分在于求兩圓交點(diǎn)，解二元二次方程較為復(fù)雜，可通過三角形余弦計(jì)算公式求某一邊與兩圓連心線的夾角，通過反正切求兩圓連心線與水平線的夾角，然后聯(lián)合圓心坐標(biāo)計(jì)算交點(diǎn)坐標(biāo)。在所有交點(diǎn)中確定出離各圓心最近的三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的三角形，求其平均值便得到了該三角形的質(zhì)心，從而定位了盲節(jié)點(diǎn)的位置。將盲節(jié)點(diǎn)到三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的測(cè)量距離作為半徑，各參考節(jié)點(diǎn)為圓心畫圓，重疊區(qū)域大致可以構(gòu)成一個(gè)三角形，通過計(jì)算三角形的質(zhì)心就近似得到了盲節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置。

1.4 去噪

如果將同一個(gè)RSSI值對(duì)應(yīng)的距離列出，將不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即使在開闊地，距離與信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系也不會(huì)完全按經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行，每一個(gè)RSSI值對(duì)應(yīng)一個(gè)距離范圍，強(qiáng)度大的值出現(xiàn)的范圍小，強(qiáng)度小的值出現(xiàn)的范圍大。這主要是因?yàn)樾盘?hào)受到干擾，在接收處理時(shí)其值往往會(huì)隨干擾的強(qiáng)度而變小，所以在整個(gè)測(cè)量過程中，同一個(gè)距離的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)很多值，且在一個(gè)范圍內(nèi)出現(xiàn)。近距離時(shí)RSSI值較大，距離較遠(yuǎn)時(shí)信號(hào)會(huì)快速衰減，所以在較遠(yuǎn)的地方不會(huì)出現(xiàn)較大的RSSI值。這種現(xiàn)象對(duì)采用RSSI值測(cè)距的模型和公式帶來相當(dāng)大的測(cè)量誤差。

為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，在RSSI測(cè)量值處理過程中，大多采用均值模型，即未知節(jié)點(diǎn)將同一處采集到的同一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的一組n個(gè)RSSI值進(jìn)行平均處理，通過調(diào)節(jié)n值來平衡實(shí)時(shí)性與精確性。均值處理模式方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍廣，但這種方法存在外部因素的影響往往使測(cè)量結(jié)果變?。ㄩ_闊地）和偶然因素的影響使得取樣次數(shù)太少這兩大弊端，達(dá)不到效果，而取樣次數(shù)過多會(huì)帶來很多負(fù)面影響（能耗、收斂時(shí)間等）。目前ATOS所采用的去噪方式如下：

（1）固定節(jié)點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)多次廣播定位信號(hào)，確保移動(dòng)節(jié)點(diǎn)每次收到的都是有效的定位信號(hào)，避免因?yàn)椴捎昧瞬徽_的定位信號(hào)而導(dǎo)致位置計(jì)算錯(cuò)誤；

（2）參考多個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置信息，將每一個(gè)收到的固定節(jié)點(diǎn)的定位信號(hào)與信號(hào)最強(qiáng)的那個(gè)固定節(jié)點(diǎn)分別做運(yùn)算，然后將其求均值。此舉提高了單次定位的準(zhǔn)確度；

（3）每次計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置時(shí)都參考前幾個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，延長收斂時(shí)間，雖然跟隨效果略有減弱，但能夠平滑極不穩(wěn)定的RSSI值。

2 測(cè)試結(jié)果

本算法在利國鐵礦380米處，以帶天線的2430作為移動(dòng)點(diǎn)，以1米作為距離單位進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量了20米內(nèi)的RSSI值定位情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。測(cè)試發(fā)現(xiàn)井下的通訊環(huán)境較為理想，中繼站的固定點(diǎn)最好的擺放方向是天線朝下，其次是天線朝上，天線側(cè)放時(shí)信號(hào)較差。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)ZigBee無線通訊技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于ZigBee中繼器的礦山井下人員定位方法。使用基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法，提高對(duì)人員定位的準(zhǔn)確度；通過結(jié)合去噪算法，降低了無線信號(hào)的噪聲干擾并有效地增強(qiáng)了定位算法的健壯性和精確度。實(shí)驗(yàn)證明文中提出的基于ZigBee中繼器礦山井下人員定位方法是有效的。

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