基于WSN的廠區員工定位系統設計與仿真

司徒瑩，劉 美

（1.廣東石油化工學院 計算機與電子信息學院，茂名 525000；2.廣東石油化工學院 教務處，茂名 525000）

某些含危險性的生產過程的企業，如石化企業，基于安全需要對廠區內或有毒環境中的員工實現定位，目前，大部分企業在這方面缺乏先進、有效的方法。因此對生產廠區的移動目標進行定位、監測，是解決企業安全監控的關鍵問題。

無線傳感器網絡（WSN）由大量成本低、體積小、電池供電的傳感器節點組成，具有檢測、計算、能量存儲、帶寬資源受限制等特點[1-2]。WSN節點無需固定基礎設施支持和人工維護，能實現快速部署、自組織、自配置，故已成功應用于生產安全防護。文獻[3]設計了多級安全儀表系統及各級聯鎖觸發條件，優化了現場高危工段的監控、報警、聯鎖方式；文獻[4]提出了融合WSN、GPRS和Internet的智能化監控系統；文獻[5-9]則用WSN實現對有害氣體的濃度或氣體泄漏的監控。以上文獻的研究均致力于生產重要過程和環境監控，在廠區內的移動目標定位、監控方面尚未有相關研究成果。

本文基于CC2431芯片搭建定位硬件系統，利用改進的DV-Hop算法，模擬在企業廠區移動節點的定位。由于CC2431體積小、定位精度較高、能完成大部分定位算法、價格相對便宜、適于隨身佩戴，加之改進的DV-Hop算法可以在一定程度上提高定位精度和抗擾能力，適于在多管線、多信號的生產廠區中使用。所設計的系統結構簡單、方便實用、具有一定的精度，基本滿足企業移動節點監控的要求。

1 硬件構成

1.1 硬件平臺

廠區定位主要考慮2個方面，一是應當有較高的精度，二是廠區的生產環境會對定位精度產生一定的影響。因此，我們擬采用CC2430和CC2431構成硬件平臺，如圖1所示。

圖1 定位系統硬件平臺Fig.1 Hardware of positioning system

定位系統由網關、參考節點、移動節點組成，各部分的作用為

計算機通過協調器對整個系統進行通訊，在前期起到一個操作平臺的作用，實現對整個系統的編程和程序的下載，對各個節點進行參數的配置，后期起到監控的作用，通過上位機監控軟件實時監視移動節點的位置。

網關及協調器作為組建一個ZigBee WSN網絡的協調者，負責分析上位機發出的對各個參考節點配置的信息，隨之將這些配置信息傳送給對應的節點設備，而且，還要向各個節點提出請求返回信息的指令，收到反饋的數據后將這些有效數據傳送給上位機，由監控軟件來表達收到的信息。

參考節點采用CC2430作為參考節點，起到一個位置的參考作用。它的放置位置和坐標的配置由用戶決定，為移動節點提供位置參考，將坐標值和收到的RSSI值提供給移動節點。在一個64 m×64 m的范圍內，要達到精準度定位，一般需要8個參考節點，最少也需要3個或者4個參考節點才能達到定位的效果。

移動節點即我們需要確定其坐標位置的節點，選用CC2431。它與參考節點進行數據交換，其內部攜帶定位引擎，當收到參考節點發過來的坐標信息和最終發送來的RSSI平均值，根據這些數據計算出自身的位置坐標，并且體積較小，滿足人員定位可穿戴設備體積小的要求。

按無線通信功能和輔助功能，硬件電路分為2個部分。無線通信模塊的作用是為節點與節點間的通信提供收發接口。輔助功能模塊有供電、定位狀態指示、USB通信等輔助功能，它通過USB to TTL轉換電路實現PC機與協調器之間的數據交換，具體組成如圖2所示。

圖2 硬件組成Fig.2 Hardware composition diagram

1.2 整體通訊流程

該定位系統中，協調器先以廣播的方式向所有移動節點發送請求信息，之后，移動節點向參考節點以廣播的形式發送數據包，數據包包含RSSI值和其他數據信息，其中包括設定跳數為1，使接收到這一數據包的參考節點都在一跳范圍內。一跳范圍內的參考節點接收到 RSSI Blast信號后，記錄該盲節點的RSSI值，并做適當預處理（高斯概率模型處理、多位標度等）[10]。參考節點接收到盲節點的數據包之后，按其包含的請求命令的要求，將所需要的參數返回給移動節點，其中包括RSSI的平均值和自身的坐標位置。最后盲節點按照一定規則（例如，協調器將數據包按照RSSI大小排序，從中選擇最大的3個，這樣保證盲節點的周圍存在3個最強參考節點）將數據包發送給協調器節點[11]。整個定位通訊流程如圖3所示。

2 定位算法研究與改進

2.1 算法改進的主要思想

節點定位技術，是WSN中的關鍵技術，可靠有效的定位對目標的監測、跟蹤和路由器效率的提高都具有非常重要的意義[12]。

圖3 定位系統通訊流程Fig.3 Communication flow chart of pos itioning system

DV-Hop（distance vector-hop）算法是節點定位技術中非常常用的一種算法，是美國的學者通過不斷實踐研究出來的一種分布式算法[13]。該算法比較依賴于多跳信標節點的數據，廣泛應用于無線傳感器網絡定位技術中。DV-Hop定位算法的基本思想為未知節點先計算出與信標節點之間的最小跳數，再估算出信標節點間的平均跳距，用平均跳距乘以最小的跳數，可以求出未知節點和信標節點之間的估計距離，最后用相關公式來求得未知節點的位置坐標[14]。該算法操作簡單，能量損耗較小，受環境的影響小，更適于廠區定位使用。但傳統的DV-Hop定位算法，未知節點要能定位的要求是要知道3個或者3個信標節點以上的距離。但在無線傳感器網絡中，節點是隨機分布的，所以造成有些未知節點根本就沒有足夠的信標節點來相連通，這樣就會造成測出來的定位精度不高，定位誤差較大。所以，筆者在一定區域內對信標節點進行擴展和進行區域劃分，以提高定位精度。在定位過程，還應該適當地增加能夠參與定位的信標節點，也可以把在附近信標節點很多的未知節點轉換成新的信標節點，然后讓它參與到下一個階段的定位，把定位量減到最少，達到改進定位精度的效果。改進DV-Hop算法的流程如圖4所示。

圖4 改進的DV-Hop算法程序流程Fig.4 Program flow chart of improved DV-Hop algorithm

2.2 算法仿真

首先設置仿真參數：正方形區域的邊長設置為100 m×100 m，區域內所有節點設置為250個，其中信標節點數為25個，未知節點數為225個，節點的通信半徑均為R=60 m，仿真結果隨機生成。利用Matlab進行仿真，生成的隨機的節點分布圖以及每個節點的定位誤差如圖5所示。可以得出平均定位誤差為36.4927，定位精度有待改進。同樣仿真條件下，利用改進后的仿真算法進行仿真，結果如圖6所示，平均定位誤差降至10.494。

圖5 改進前仿真結果Fig.5 Simulation result before improvement

圖6 改進后仿真結果Fig.6 Simulation result after improvement

可見，相比原來的算法，改進的DV-Hop算法在定位精度和覆蓋率方面都有較大的提高，隨著信標節點比率的增加，平均誤差較原算法下降更明顯，如圖7所示。

圖7 DV-Hop算法改進前后信標節點數與平均定位誤差關系對比Fig.7 Comparison of beacon node numbers and average error before and after improvement

3 系統搭建與試驗驗證

依前所述構建硬件系統，選取信標節點8個，移動節點1個，試驗在一個6 m×6 m的試驗室內進行，8個參考節點隨機放置，分別標記為R1～R8，有一任意移動節點，并在室內模擬通過電信號與氣信號管線。對移動節點進行定位，共選取5個移動位置，定位結果如表1所示。

表1 模擬定位測試結果Tab.1 Test results of simulation positioning

該測試結果表明，系統具有較高的定位精度，符合廠區定位基本要求。當然，定位過程仍有一些細節問題尚待解決，例如網絡的通信量等，這也是今后無線傳感器網絡定位技術中的一個研究方向。

4 結語

WSN是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，它已成為當前研究的熱點，在越來越多的領域里，將會發揮主導作用。本文根據實際需求，研究了基于WSN構建成的二維的室內無線定位系統。利用CC2430及2431構成定位平臺，加之對DV-Hop算法進行改進，在定位精度、抗擾性上均有不同程度的提高。上述試驗及仿真結果表明，在相同的條件下，改進的DV-Hop算法在每個節點的誤差、相對定位誤差、平均定位誤差等方面比原來的算法明顯降低，這就可以說明DV-Hop算法改進后定位精度提高了，性能方面優于原來的算法。而所搭建的硬件系統，結構簡單、成本較低，有較高的定位精度。整個定位系統無論從定位精度、實用性以及造價上均滿足廠區移動人員定位的需求。在后續的研究中，我們還會繼續致力于定位算法的優化研究，加強定位的實時性，并實現定位系統與企業管理軟件的通訊對接，進一步提高定位精度和實用性。

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