基于MEMS和WSN的室內定位系統的研究*

2016-04-15 08:20:03吳宇

艦船電子工程 2016年3期

吳　宇

(海軍駐上海地區通信軍事代表室　上海　200333)

吳宇

(海軍駐上海地區通信軍事代表室上海200333)

摘要隨著城市化進程的快速推進,室內定位的應用前景廣闊,尤其在一些特定場合的實時性和必要性已經日趨顯著,其研究意義非常大。通過對現有室內定位技術的比較,提出了基于MEMS和WSN技術相融合的應急室內定位系統方案,從系統架構、硬件實現、軟件算法等方面進行闡述?；贛EMS和WSN技術相融合的室內定位系統不依賴于現有的Wi-Fi系統,能夠在突發事件發生后快速架設、硬件通用性好、能夠通過不斷優化軟件算法持續提高系統性能,是未來室內應急定位的一種有效手段。

關鍵詞MEMS; WSN; 室內定位

Indoor Positioning System Based on MEMS and WSN

WU Yu

(Navy Representative Office of Communications in Shanghai, Shanghai200333)

AbstractWith the rapid progress of urbanization, the indoor positioning technology has a brilliant prospect in application. In particular, the real time and necessity of some particular scenes have become more and more significant. Based on the comparison of existing indoor positioning technology, this paper puts forward the indoor positioning system operation based on MEMS and WSN. This paper elaborates on the system architecture, hardware implementation, and software algorithm and so on. This system which is based on MEMS and WSN doesn’t rely on the Wi-Fi system. This system can set up quickly after the incident, and it can improve the system performance by optimizing the software algorithm. This operation will be an effective method for the indoor positioning technology in the future.

Key WordsMEMS, WSN, indoor positioning

Class NumberTP393

1引言

隨著經濟的高速發展,城市規模不斷擴大,高樓大廈林立,給人們帶來了現代生活的便利,同時也提出了新的安全課題:如何針對結構布局復雜樓宇,實現室內人員的快速定位,特別是發生緊急情況時快速找到室內的被困人員尤其重要。

針對這些需求室內定位技術應運而生,隨著技術的不斷完善,市場拓展空間越來越大,應用范圍也將越來越廣泛,尤其是在復雜環境下,如圖書館、體育館、地下車庫、貨品倉庫等對人員以及物品的快速定位需求更為迫切。目前常用的室內定位技術主要有以下幾種: 1) 基于超聲波定位技術; 2) 基于紅外線的定位技術; 3) 基于超寬帶的定位技術: 4) 射頻識別定位技術(WLAN、Zigbee)等。但是上述的室內定位系統或多或少存在跟蹤設備復雜、易受環境影響、后臺處理能力要求高、設備通用性差等缺陷,而且這些室內定位系統主要是針對固定場所正常情況下的定位與導航,需要提前預裝,對于臨時應急救災的應用場合就無能為力了,其不能完全適用于室內救災情況。

因此,本文就針對一些特殊的需求,融合MEMS和WSN技術設計出應急救災的室內救災定位系統。

2基于MEMS和WSN技術的室內定位系統的系統框架設計

目前,在室內定位的諸多系統中,主要采用的是Wi-Fi的方式來進行定位的,而隨著微機電系統(MEMS)和Zigbee的快速發展,運用MEMS慣性傳感器和Zigbee節點進行定位已然成為了一種可能,而且,將兩者技術進行融合定位,不僅能夠提升定位的精度,同時,也為室內定位提出了一種新的解決方案。本文的主要思路就是借助于MEMS慣性傳感器與WSN來實現兩者的聯合定位,其中MEMS實現精確定位,WSN則在數據傳輸的基礎功能之外輔助MEMS傳感器實現移動目標位置的定時校準。

根據上述思想,本文提出的基于MEMS和WSN技術的室內定位系統的整體設計框架有外部客戶端及相關的外部網絡、MEMS慣性傳感器定位以及WSN聯合定位設備等部分組成,系統組成框圖如圖1所示。

圖1　系統框架圖

1) Zigbee節點:在本方案中,Zigbee節點可以分為兩種:終端Zigbee節點和匯聚Zigbee節點。

終端Zigbee節點不僅能與便攜式MEMS定位設備進行通信,而且這些節點之間還可以進行自組網,進行數據的通信,當這些節點組網后,信標節點之間的信息實現了共享,那么就可以通過某種機制來實現更優化的定位算法;匯聚Zigbee節點在本框架中主要負責從終端Zigbee節點傳送過來的數據進行融合、轉發給客戶端以及負責把客戶端處理好的數據發送給終端Zigbee節點。

在本系統中,由于特定的需求,終端Zigbee節點和匯聚Zigbee節點的通信半徑是不同的,一般地,匯聚Zigbee節點的通信半徑能夠覆蓋整個室內,而終端Zigbee節點的通信半徑則相對小很多。

2) 便攜式MEMS定位設備:該設備會通過自身攜帶的MEMS慣性傳感器進行實時的定位,同時,其還將會通過Zigbee協議與WSN中的Zigbee節點進行數據通信,以及通過GPRS/3G協議負責與外部客戶端進行數據的傳送。

3) 客戶端:外部客戶端主要負責數據的分析、處理和反饋。

3硬件設計

3.1便攜式MEMS定位設備

在本方案中,便攜式MEMS定位設備的功能主要有:

1) 在MEMS器件中,預先嵌入相關的定位算法,這樣消防員就可以通過MEMS模塊來獲取到自身的位置和行駛的里程數;

2) 該模塊要能夠實現與節點之間的數據通信,WSN中的節點要能夠將其自身的節點信息傳輸給便攜式MEMS定位裝置;

根據便攜式MEMS定位設備的功能需求,在本方案的硬件設計中,便攜式MEMS定位設備包含電源模塊、MEMS慣性傳感器模塊、Zigbee模塊和ARM處理模塊,設備的組成框架圖如圖2所示。

圖2　便攜式MEMS定位設備框架圖

1) 電源模塊:實現對設備各個功能模塊進行供電,同時考慮低功耗設計。

2) MEMS慣性傳感器模塊:采用成熟的MEMS慣性傳感器芯片,并嵌入能夠實現定位以及位移計算功能的算法。

3) Zigbee模塊:實現節點坐標信息的點對點的通信,在實施的時候,需要給其配置終端節點的相關參數,從而使得其在系統中完全充當終端節點的作用,這樣其就可以根據其自身的功能或者需求進行工作,在本方案中的Zigbee模塊的組成與WSN中的Zigbee終端節點是相同的。

4) ARM處理模塊:負責便攜式MEMS定位設備相關外圍模塊正常工作的控制系統。

3.2WSN中Zigbee節點

在本方案中,由于WSN是自組網的,Zigbee節點可根據不同的需要分配不同的角色,能夠實現如下功能:

1) 要能夠發起這些Zigbee節點自動組網;

2) 這些Zigbee節點要能夠通過多跳將相關的數據包傳送給自身通信范圍外的其他節點;

3) 其中充當匯聚節點的Zigbee節點要能夠通過GPRS/3G協議實現與外部客戶端進行通信;

4) 充當匯聚節點的Zigbee節點要能夠將從外部客戶端接收到的坐標信息通過語音的形式將其廣播出來;

5) 充當匯聚節點的Zigbee節點要留有功能拓展接口,以方便其他功能模塊的接入與實施。

根據Zigbee協議可知,在使用Zigbee節點來組建WSN時,這些節點分為三種角色:協調器、路由器和終端節點。

協調器是網絡的第一個開始的設備,協調器節點選擇一個信道和網絡標志符(也叫PAN ID),然后開始建立一個網絡。協調器設備在網絡中可以使用,比如建立安全機制、網絡中的綁定的建立等等。

路由器實現多跳路由、允許合法設備加入網絡、并輔助子節點完成通信。

終端節點實現基礎數據的采集等相關的功能,一般直接使用電池供電即可。

在本方案中,將WSN的網絡模型設計為網狀結構,這樣可以增強自組織網絡的深度和復雜度,以實現更大的數據共享。按照上述的三種角色對WSN中的Zigbee節點進行劃分,首先,由于在該網絡中,這些節點并不需要采集周圍環境的相關信息,該網絡的重點是要實現數據包的相互傳輸,因此,在設計這些節點的角色時,本方案就拋棄了終端節點,這樣網絡中只存在協調器和路由器?；赯igbee的WSN的網絡模型圖如圖3所示。

圖3　基于Zigbee的WSN網絡模型圖

在本系統中,通過給室內的入口處的Zigbee節點配置協調器的相關參數,這樣就使得網絡中產生了一個能夠發起組網的協調器,使得網絡中其他的節點都能夠加入到該自組織網絡中,在本方案中,其他的節點都配置路由器的相關參數,使得這些節點都能夠在網絡中自由地接收和轉發數據包。由于這些節點沒有其他的特殊功能要求,因此,這些協調器和路由器的硬件框架圖和方案一中的WSN中Zigbee節點的硬件組成框架圖一樣。

此外,網絡中存在一個匯聚節點,當然該匯聚節點也是配置為路由器,使得其能夠接收和轉發數據包,除此之外,該匯聚節點還將具備以下模塊:

1) GPRS/3G通信協議接口模塊:由于在本地定位系統中,便攜式MEMS定位設備沒有與外部客戶端進行通信,因此,匯聚節點需要有GPRS/3G的無線通信協議,以便將本地的測量的數據發送給外部客戶端進行處理,同時,也能夠通過該接口將外部的處理結果接收回來;將從外部客戶端獲取到的坐標信息廣播給所有的消防員,以方便消防員之間的協作執行任務;

2) 坐標信息接收模塊:為了便于節點用戶之間的協作,對于外部客戶端發送回來的坐標信息,在該匯聚節點上要能夠以語音的方式獲得到坐標的信息;

3) 其他的功能擴展模塊,在實際的處理消防任務過程中,可能還需要一些其他方面的需求,諸如:室內的煙霧濃度采集、室內視頻的采集、行駛的路線采集等;

4) ARM處理模塊,該處理模塊必須負責外圍模塊正常工作的控制系統,一般地,ARM處理模塊可以采用ARM9處理器來構建該模塊。

如圖4所示,為匯聚節點的硬件組成框架圖。

圖4　匯聚節點硬件組成框架圖

4算法設計

系統實現主要包含兩類算法,MEMS模塊的嵌入式定位算法和系統的定位機制算法。

4.1MEMS模塊的嵌入式定位算法

慣性導航(Inertial Navigation)是依據牛頓慣性原理,利用慣性元件(陀螺儀和加速度計)來測量運載體本身的加速度,經過積分和運算得到速度和位置,從而達到對運載體導航定位的目的。慣性導航的優勢在于給定了初始條件后,不需要外部參照就可確定當前位置、方向及速度。其精度和性能很大程度取決于傳感器精度,傳感器的小誤差會隨時間累積成大誤差。高精度、高帶寬和快速響應姿態求解算法,靜態誤差小于1°。陀螺儀零漂去除算法,使得姿態不隨溫度等環境漂移。本文采用自適應濾波器動態消除加速度計和陀螺噪聲,采用動態子校準方法消除軟磁和硬磁的影響,保證姿態和方向計算精度。傳感器數據融合算法采用基于四元數的擴張卡爾曼算法進行數據融合,互補不同傳感器優劣勢,如圖5結構所示。

圖5　傳感器數據融合算法結構圖

融合算法支持輸出歐拉角、旋轉矩陣和四元數。歐拉角到旋轉矩陣的轉換的公式:

旋轉矩陣到歐拉角的轉換公式:

四元數到旋轉矩陣的轉換公式:

4.2系統定位機制算法

本文的算法具有一個基本的模型,如圖6所示,在該定位模型下,所有的Zigbee節點的坐標信息都是一致的,也就是說,這些傳感器節點實際上充當的是錨節點的角色。

這個模型可以做出如下解釋:

步驟一:部署Zigcbee節點;

步驟二:操作人員攜帶MEMS定位裝置,并開啟MEMS定位裝置,開始定位;

步驟三:操作人員進入室內,并與入口處的Zigbee形成之間通信,此時就將此節點處的坐標信息傳輸給MEMS系統,并進行初始化;

圖6　算法的基本模型圖

圖7　算法整體流程圖

步驟四:消防員繼續前進,如若在前進的過程中,能夠與已部署在室內的傳感器節點構成直接通信系統,若此時,因為MEMS定位出來的誤差比較大,則此時運用WSN進行輔助定位,如此往復循環;

步驟五:操作人員處于出口處,則整個救援工作結束,定位也就結束,關閉定位裝置,同時,撤出所有的Zigbee節點。

根據本系統的整體設計思路,其算法的整體流程如圖7所示。同時系統根據基于WSN節點獨立式和WSN節點自組網這兩種情況,分別設計出了相應的算法。

5結語

本文針對沒有WIFI等無線環境的應急場合下,需要進行室內定位的實際需求出發,提出采用MEMS和WSN技術相融合的室內定位系統方案,系統由通用成熟硬件模塊組成,通過不斷優化軟件和算法提升系統性能。根據MEMS和WSN的特點設計的室內定位系統,不依賴于現有的WiFi網絡,架設時也不需要事先進行大量的測量,適合臨時應急任務時的快速架設。無線定標、MEMS精調能夠規避單一手段引起的位置積累誤差和干擾影響,大大提高系統定位精度,而自組網方式的數據傳輸系統架構,能夠有效提高系統的抗毀性。

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