基于WirelessHART的半密閉船艙人員定位系統(tǒng)設(shè)計

楊國良

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

裝有貨物的半密閉船艙內(nèi)部環(huán)境十分惡劣，建立用于半密閉船艙的人員定位系統(tǒng)，對于預(yù)防事故的發(fā)生與人員的搜救都有著極為重要的意義。類似于船艙等特殊的工作場景，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號傳輸率低等特點，目前沒有一個很好的定位解決方案。因此，設(shè)計一套定位精準，低功耗，可靠傳輸?shù)娜藛T定位系統(tǒng)意義重大。

本文將DecaWave公司的DWM1000模塊集成到WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中。采用最新的UWB技術(shù)，利用脈沖信號到達的時間差來測量節(jié)點間的距離，進而對節(jié)點進行定位。相對于其他的一些無線通信技術(shù)而言，UWB有著發(fā)射功率較低，傳輸速率塊，穿透能力強并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波等優(yōu)點[1]。結(jié)合WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的低功耗和可靠的良好特性，該系統(tǒng)能很好地部署在半密閉船艙的環(huán)境中并完成工作人員的定位。

1 W irelessHART技術(shù)

WirelessHART（Wireless Highway Addressable Remote Transducer）是HART通訊基金會為工業(yè)過程控制研制的一個開放標準的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是第一個用于過程控制的國際無線標準（IEC 62591），支持 IEEE 802.15.4標準的 2.4GHz ISM 頻段[2]。WirelessHART是一種具有時鐘同步、自組織和可治愈的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有低成本、低功耗、高可靠性等優(yōu)點，其能夠快速兼容現(xiàn)有有線設(shè)備工具和系統(tǒng)[3]。WirelessHARTTM技術(shù)進一步促進了無線技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[4]。

2 定位系統(tǒng)的整體框架

系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1所示，定位系統(tǒng)由硬件平臺與上位機軟件組成。硬件系統(tǒng)是由網(wǎng)關(guān)，基站和標簽節(jié)點三部分組成。網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接收上位機發(fā)送來的命令，進行WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，初始化設(shè)置以及對該網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中的各個節(jié)點進行時鐘同步與管理?；竟?jié)點主要負責(zé)對 UWB脈沖信號TOA數(shù)據(jù)進行采集與傳輸，將WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。上位機軟件負責(zé)處理TOA數(shù)據(jù)，調(diào)用定位算法將標簽的位置以圖形化和坐標的形式顯示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 Sy stem framework

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)部署

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集成DecaWave公司開發(fā)的DW1000芯片，其兼容IEEE802.15.4-2011協(xié)議的超寬帶無線收發(fā)芯，在實時定位系統(tǒng)中用于物體的定位，精度高達厘米級別[5]。本系統(tǒng)中一個定位區(qū)域內(nèi)部署1個網(wǎng)關(guān)和4個錨節(jié)點以及一個標簽節(jié)點。網(wǎng)關(guān)負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)細節(jié)。錨節(jié)點是坐標位置已知的固定節(jié)點，它的存在是為了給移動的標簽節(jié)點計算坐標提供數(shù)據(jù)支持的。標簽節(jié)點則是船艙工作者隨身攜帶的移動節(jié)點，其位置通過調(diào)用定位算法得出。節(jié)點部署完成后，網(wǎng)關(guān)會和定位區(qū)域中的各個錨節(jié)點通信，完成網(wǎng)絡(luò)的初始化和組網(wǎng)工作。

3.2 克拉美羅下界

克拉美羅下界（Cramer-Rao Lower Bound, CRLB）是TOA估計算法在理論上的一個界限值[6]，文獻[7-8]對于單一路徑的加性高斯白噪聲信道，通過數(shù)學(xué)理論證明從 TOA估計中獲取的能夠?qū)崿F(xiàn)的最佳精度的距離估計滿足下列不等式

（1）式中，C為光速，SNR為信道信噪比，β為有效信號帶寬，其定義為：

其中，S(f)為發(fā)送信號的傅里葉變換。

由（1）（2）兩式可以得出，提高信噪比或者加大有效帶寬都可以有效的提高TOA估計的精度，由于UWB具有相當(dāng)大的帶寬，所以基于TOA的定位技術(shù)可以充分利用 UWB高帶寬的特性實現(xiàn)精準可靠的定位。

3.3 DS 測距（Double-sided Two-way Ranging）

標簽節(jié)點和錨節(jié)點間距離的測量是 TOA定位技術(shù)的關(guān)鍵，與單邊測距相比，雙邊測距在單邊測距的基礎(chǔ)上再增加一次通訊，兩次通訊的時間可以互相彌補因為時鐘偏移引入的誤差[9]，其中測距過程如圖2所示。

圖2 DS 測距示意圖Fig.2 DS range mapping

標簽節(jié)點首先向錨節(jié)點發(fā)送POLL數(shù)據(jù)包，并記下發(fā)送時間T1，并在一段時間后打開RX。錨節(jié)點要提前打開接收，收到POLL數(shù)據(jù)包后，記錄時間 T2。錨節(jié)點在 T3(T3=T2+Treply1)時刻發(fā)送Response數(shù)據(jù)包，發(fā)送完成之后打開 RX。標簽節(jié)點收到 Response數(shù)據(jù)包，記錄時間 T4，并在T5(T5=T4+ Treply2)發(fā)送Final數(shù)據(jù)包。錨節(jié)點收到Final數(shù)據(jù)包后，記錄時刻 T6。根據(jù) 6個時刻值可以推出一次雙邊通信中電磁波的飛行時間Tprop為

其中Tround1 = T4 - T1 Tround2 = T6 - T3 Treply1 = T3 - T2 Treply2 = T5 - T4

Tprop乘以光速則為標簽節(jié)點到錨節(jié)點兩者之間的距離。標簽移動節(jié)點測量獲得到其與網(wǎng)絡(luò)中各個錨節(jié)點的距離后，將此數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)傳送給上位機，上位機調(diào)用定位算法則可以計算出標簽節(jié)點的位置。

3.4 極大似然估計法

TOA定位技術(shù)根據(jù)是信號到達時間差為理論基礎(chǔ)完成定位的。在立體空間中需要四個固定基站，在二維平面則需要三個基站。當(dāng)發(fā)射信號從標簽節(jié)點到基站的時間為t，那么時間t乘以電磁波的傳播速度可以得到標簽節(jié)點到參考基站的距離，同理，可以獲得此標簽節(jié)點與其他基站的距離。以兩者的距離為半徑做圓，由幾何知識可知，三個圓的交點為標簽節(jié)點的實際位置[10]。原理如圖3所示。

圖3 二維空間TOA定位原理圖Fig.3 T wo-dimensional space TOA positioning principle diagram

假設(shè)移動標簽節(jié)點得到其與三個以上并且不位于同一直線的基站節(jié)點之間的距離時，

極大似然估計算法的基本思想可以描述為：

當(dāng)有n個參考節(jié)點1, 2, 3…n，設(shè)它們的坐標分別為(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)…(xn，yn)，位置未知的標簽節(jié)點為 M，其坐標為(x，y)，標簽節(jié)點 M到各個錨節(jié)點的距離分別為d1，d2，d3…dn，則有

將方程組（4）整理成AX=b的形式，其中

通過最大似然估計方法，可以得到標簽節(jié)點M的坐標位置(x,y)[11]：

3.5 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件系統(tǒng)是基于 C++語言開發(fā)。按其功能可以分為數(shù)據(jù)獲取、定位計算和圖形界面顯示層三部分。數(shù)據(jù)獲取層完成與網(wǎng)關(guān)的通信，通過以太網(wǎng)將標簽節(jié)點與每個基站之間的距離傳送給上位機。定位計算層對獲取的數(shù)據(jù)進行處理，調(diào)用定位算法對標簽節(jié)點的位置進行定位。圖形界面提供定位顯示界面，支持地圖導(dǎo)入模式，將標簽節(jié)點的位置實時的顯示在地圖上。

4 實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

4.1 實驗設(shè)計

本實驗以學(xué)校工科實驗室為實驗場所進行測試。該實驗室長10.4米，寬7.2米。實驗室有各種實驗儀器儀表，多張試驗臺，工作環(huán)境比較復(fù)雜，可以比較貼近的模擬船艙內(nèi)的工作環(huán)境。實驗將 4個基站節(jié)點分別放在實驗室的四個角的位置，網(wǎng)關(guān)安放在任意的的試驗臺上。實驗人員手持標簽節(jié)點圍繞試驗臺隨機的移動。從上位機軟件可以觀察到操作人員的移動軌跡。定位結(jié)束后，上位機軟件會自動的保存標簽節(jié)點在對應(yīng)時間點的位置坐標，從而達到定位跟蹤的作用。

4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

基站節(jié)點的實際位置如下表1所示。

隨機的在實驗區(qū)域選取 5個點作為定位測試點，每個點均測試10次取其平均值作為實驗值。具體的實驗結(jié)果見下表2。

通過實驗數(shù)據(jù)可以看出該定位系統(tǒng)在隨機的 5個測試點中，定位最精準的測量誤差為 8.6 cm，最大的定位誤差僅為14.5 cm，平均誤差為10.96 cm。相比于Zigbee，Wifi與RFID等傳統(tǒng)的定位模式，結(jié)合WirelessHART與UWB的定位系統(tǒng)具有更高的定位精度。本文的實驗場景的選擇具有一定的代表性，實驗定位也有著較高的精度，所以該方案具有一定的實用性。

5 結(jié)論

圖4 上位機軟件界面Fig.4 Host computer software interface

表1 實際位置坐標Tab.1 Actual position coordinates

表2 實驗位置坐標Tab.2 Expe rimental position coordinates

本文研究并設(shè)計了一套適用于半密閉船艙等特殊場景的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)完成了 WirelessHART與DWM1000模塊的集成，利用UWB與DS測距技術(shù)實現(xiàn)了TOA數(shù)據(jù)的采集，通過WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的傳輸與極大似然估計算法完成了比較精確的定位。實驗結(jié)果顯示該定位系統(tǒng)可以部署在實際的應(yīng)用場景，并且定位精度可以達到10 cm以內(nèi)。本實驗僅在定位系統(tǒng)中只存在單個標簽的環(huán)境下進行，當(dāng)有多個移動標簽加入網(wǎng)絡(luò)時避免標簽彼此之間的干擾同時達到更高的定位精度是下一步的研究工作。

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