基于OPM技術的智能無線組網定位系統

陳云 李瑞東 華容

【摘要】 介紹了一種基于OPM（適機認知無線網絡）核心技術的智能無線組網定位系統。利用新穎的OPM技術實現技術創新，結合RSSI動態修正定位算法，設計本定位系統的硬件和軟件，彌補GPS定位無法在室內使用，移動通信基站定位精度不高造成的定位技術空缺。實現一個安裝快捷，無需拉線，快速組網的實時定位定位系統，適用于多種定位應用場景。

【關鍵詞】 OPM技術 RSSI 實時定位 快速組網

一、引言

室內及特殊場合的定位和傳感器通信問題一直困擾著許多工作現場的人員。說到定位解決方案，大家馬上會聯想到GPS 定位，或基于GPS 的各種定位品；更專業一些的人士可能會想到使用通信基站（CellID）定位，但在一些室內及特殊場合，如礦井下、地下管道、特殊的建筑物內等，GPS 和CellID 將失去它的定位能力，因為在那些地方根本就沒有信號。本文談論的方案將解決特殊場合定位及傳感通信的問題，其特點是能為現場人員管理和事故搜救提供便捷、穩定、實時的位置服務，比較適合于沒有GPS信號的礦井井下、辦公樓宇、城市地下管道等

二、系統涉及的主要技術及算法

智能定位系統中的關鍵技術本設計是基于OPM（Opportunistic Mesh Networks）技術而開展的，所以我們將采用OPM15芯片作為本設計的無線通信芯片，其內置獲取接收的信號強度指示值RSSI（Received Signal Strength Indication）功能的命令。其主要特點是：工作頻率2.4GHZ；數據吞吐量可達100kbps；60Mw的工作頻率，休眠功率為4μW，功耗極低；支持從-18dBm到5dBm的射頻輸出功率控制功能；支持動態網絡協議棧；具有實時無線多條通信方式，傳輸距離遠，功耗低，抗干擾能力高。且與802和TCP/IP協議標準兼容。

2.1 OPM技術

OPM技術是基于機會認知機制的智能無線網絡（Opportunistic Mesh） [1]，OPM網絡的每個節點自動機會地使用網絡資源：包括無線頻譜資源和無線站點。OPM技術通過網絡資源的機會動態使用，在組網上無需一個固定的拓撲結構和頻率分配，就可以實現大規模組網。例如：在無線多跳傳輸的過程中，每個數據包都使用動態產生的路徑，而每跳所使用的頻率亦動態產生。網絡節點在傳輸每一個數據包的同時亦在檢測下一個數據包傳輸可以使用的最佳路徑和無線頻帶。如果當下的物理信道被干擾，網絡節點會在毫秒級的時間切換的另一個可用信道。這樣網絡資源的利用可以達到其瞬間最大值。

通過建立新的跨層協議棧設計，在技術上OPM對傳統無線網絡的改造，從而大大地提高了網絡擴展性和抗干擾性。網絡帶寬在經過多個節點后（多跳）保持穩定。由于OPM的可以動態建立無線網絡，不需要固定的網絡路由路徑，拓撲結構，和無線鏈路頻道分配，大大簡化了布網工作量，并具有極強的抗干擾性。采用OPM技術可以很好的實現快速布網，即設即用，而且有比WiFi和Zigbee更強的抗干擾性。

2.2 定位算法

這里描述2個位置估計定位算法。對于任何的特定節點，最好只處理3個最強的固定節點RSSI記錄。

2.2.1 加權總算法

對于系統中的移動節點，它離一個固定節點越近，在固定節點和移動及節點之間將會產生更強的RSSI，加權算法利用RSSI的值和固定節點的坐標能找到移動節點的相對位置。

對于一個全向天線，它的接收功率與距離有以下關系：

‘d是移動節點和固定節點的距離，‘n是房間里的漸消因子，RSSI在線性范圍內，利用這種關系，我們能得到移動節點和不同固定節點之間的相對位置。

然后這個算法將使用這個加權系數的關系去算出移動節點的位置，如下公式：

該算法可以通過漸消因子‘n進一步校準，它能適應環境的變化和復雜的幾何形狀。在很多的應用中，包括在該智能定位系統中，最好只使用3個有最強的RSSI的固定節點。

這個算法的說明如圖1所示。

2.2.2 絕對距離算法

當已知漸消因子和一個參考RSSI，可以計算出移動節點和固定節點的相對距離。使用一個A的RSSI和漸消因子‘n，我們能得到如下的等式：

根據2個固定節點的位置，和移動節點到他們的距離，我們能找到滿足距離的2個點，如下圖所示：

根據上圖，對于兩個固定節點P1（x1，y1），、P2（x2，y2）和已知的距離dS1_M和dS2_M，可以確定兩個移動節點可能的位置：移動節點可能位置 1和移動節點可能位置 2。通過使用絕對距離算法，拓撲應該保證任何點的3個最近的的固定節點都包括這個點。

現在只要在數據庫中找出3個RSSI信號最強的就可以計算距離了，RSSI越強則計算越準確。對于每兩個固定節點的選擇，可能會計算出2個移動節點出現的地方。因此由于三條固定節點能確定三個點，形成一個最小的三角形，最后三個點的平均數被選擇作為移動節點的位置點。

三、系統結構

系統采用自組織無線傳感器網絡，可以動態快速的自組織網絡，無需固定路由拓撲結構、路徑分配，自動實現無線鏈路分配，可實現多跳路徑，避開故障節點，實現信息傳輸的可靠性和實時性，可以用于對網絡覆蓋范圍的人員定位監控。系統結構如圖3所示。

本無線定位子系統主要由定位基站（也即路由器）和點位卡兩部分組成；無線定位網絡由系統中數個固定基站自主通過無線方式形成；基站實現超低功耗工作，可通過電池供電長時間工作，各個基站之間可通過無線連接，便于布置網絡，每個基站作為傳感器終端還具有中繼功能，可實時傳送定位信息及其它傳感信息到管理子系統的監控平臺：進入定位網絡覆蓋區域的人員，其位置信息快速被附近的基站所捕獲，并通過網絡將位置信息實時發送給監控中心[2]；監控平臺也可通過定位網絡將聲光、語音、數據等警報信號通過定位網絡實時發送給帶有手持終端設備的工作人員，從而實現定位以及數據傳輸。

3.1控制芯片

本設計將采用 dsPIC30F3013高性能16位數字信號控制器作為主控芯片。之所以采用一款PIC系列的單片機，是因為PIC系列單片機采用流水線結構，單字節指令體系，嵌入閃存以及10位A/D轉換器；并且采用了采用哈佛總線結構，在芯片內部，數據總線和指令總線分離，容許采用不同的字節寬度；內部的CMOS結構，也使其功效消耗極低，是目前世界上最低功耗的單片機品種之一[3]；同時，PIC系列單片機I/O端口驅動負載的能力較強，每個輸出引腳可以驅動高達20-25mA的負載。

3.2系統組成

定位基站：將由dsPIC30F3013高性能16位數字信號控制器控制。以OPM15芯片作為無線通信芯片?？梢杂蔁o線自組織網絡的形式來組織，是即設即用的無線定位站點，也是該系統的核心，能與定位卡與上位機軟件實時交互信息，可以自由設定基站位置，來組成無線定位系統。

定位卡：將以OPM15芯片作為無線通信芯片?？梢杂蔁o線自組織網絡的形式來組織，由其與定位基站間的信息交互來實現位置信息的確定。

上位機軟件：也是用戶的使用界面，將采用C#語言編寫，能夠與基站與定位卡通信，獲取，控制定位卡與基站信息。并且會設置一些預設端口，方便功能增設。

電腦端服務軟件設置（如圖4）

1. 設置地圖大小，在 Address 欄添加所有 Server 端、基站端地址，根據

Server 端和基站在實際場景內的位置，在地圖上拖放基站圖標

2. 設置 COM 口、Update Coefficient*、Server Address，按 RUN 按鈕啟 動定位系統，移動端的位置將以紅點的形式在地圖上實時顯示

[對人員走動測試，建議 update coefficient 調制在 0.2，對于 高速移動，建議更新速率調到 0.4]

四、總結

OPM 技術由于自適應組網，靈活方便，抗干擾能力強，并能實現室內無線定位，同時具備數據中繼功能，可以與通信行業現有基建設備實現無縫對接，并可作為物聯網及寬帶互聯網的一個技術平臺實現諸如：物聯傳感網絡、定位網絡、車聯網、無線寬帶接入、應急網絡等各種應用。OPM 技術提供無線網絡最優的帶寬覆蓋成本，可以大大增強網絡的動態可持續擴充性，提供高效的布網和運營模式，和支持實時可靠的高品質無線通信，以及降低網絡復雜度和功耗，使其成為各種物聯網行業應用的最佳組網和室內定位方案。

參考文獻

[1] OMESH Networks.OPM15 Software API Guide [OB/L].http：//www.omeshnet.com/omesh， Oct 10， 2011.

[2]喬曉嬌.基于OPM15技術的礦井無線監控系統的設計[D].浙江工業大學：通信與信息系統，2012

[3] dsPIC30F2011/2012/3012/3013 Data Sheet（11/02/2010）

[OB/L]http：//ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70139G.pd

基金項目：由國家大學生創新創業訓練計劃支持。項目編號201310347011

參 考 文 獻

[1] OMESH Networks.OPM15 Software API Guide [OB/L].http：//www.omeshnet.com/omesh， Oct 10， 2011.

[2]喬曉嬌.基于OPM15技術的礦井無線監控系統的設計[D].浙江工業大學：通信與信息系統，2012

[3] dsPIC30F2011/2012/3012/3013 Data Sheet（11/02/2010）[OB/L]http：//ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70139G.pd