基于WSN的3D定位系統實現方法研究?

（中國衛星海上測控部 江陰 214434）

1 引言

無線傳感器網絡技術（WSN）是物聯網技術的一種，是綜合了包括傳感器技術、現代網絡技術及無線通信技術在內的多種技術于一體的感知及傳輸系統。WSN能夠實時監測、感知并采集對象信息，其主要的技術特點有大范圍、低成本、高穩定性、靈活布設等。因此，在一些對節點體積有特殊要求或者難于布線的區域有著難以替代的優勢［1］。

2 系統構成

本文提出的基于WSN的船舶3D定位該系統主要由系統數據處理中心，由微基站和網絡組成的數據交換平臺，以及定位微基站組成［2］。

1）數據處理中心

數據處理中心包括用于處理定位數據的算術服務器和用于系統管理的管理服務器。通過數據交換網絡，可以以三維方式計算和顯示收集的數據。

2）數據交換平臺

數據交換平臺包括數據交換網絡和微基站設備。子系統中的數據交換網絡用于收集微基站轉發給服務器的數據信息進行處理；微基站在數據交換平臺中起作用，該數據交換平臺收集定位終端發送的數據信息，并將其轉發給數據交換網絡。

3）客戶端

終端定期釋放定位或感知信息，并通過基礎網絡轉發給定位服務器進行處理；在緊急情況下，持有人會主動發布遇險信息，并將其通過基本網絡轉發給管理中心進行處理。

3 定位技術選擇

3.1 定位方式選擇

根據定位原理，目前主要有三類：RSSI定位方法（場強定位方法），TOA/TDOA（時差定位方法）和AOA（角度定位方法）［3］。

1）基于場強測量的定位使用在已知點接收到的信號強度與到發送點的距離之間的反比關系。通過測量已知點處接收信號的場強，可以根據已知信道衰落模型進行估計。可以根據某些已知算法與多個已知點之間的距離，通過某種算法來估計已知點與發送點之間的距離。工作原理如圖1所示［4］。

圖1 RSSI定位機理圖

2）基于傳播時延測量的定位。通過測量無線電波從發射點到接收點的傳播時延，可以知道它們之間的距離。因此，可以通過某種方法來計算未知點的大概位置。

3）基于信號到達角度的定位方法。主要是在通過己知點接收機天線陣列測出發射電波的入射角，構成一條方位線。利用多個已知點的AOA測量，可以畫出多個方位線，其交點為測試位置。

首先，從子系統的功能要求開始，3D定位系統需要能夠同時實現無線定位和通信功能目前，采用AOA方法的定位系統都無法實現通信功能。

從定位要求的角度來看，系統需要采用相對較低的成本來實現不需要高精度的定位要求。與使用RSSI和TOA/TDOA的定位方法相比，TOA/TDOA定位系統通過測量時間進行測量。為此，為了獲得具有米級誤差的定位精度，測量精度需要達到納秒級，這導致更高的設備復雜度，使得定位的成本非常高。

3.2 無線通信技術比較

近年來，各種短程無線通信協議和相關產品不斷出現。主要技術系統包括ZigBee，Wi-Fi，藍牙和UWB等，各種技術對比如表1所示。

表1 近距無線通信體制技術比較表

通過以上技術體制的特點，能夠滿足船舶3D定位系統的無線技術體制比較適合的就是ZigBee技術體制和Wi-Fi技術［5～6］。

由于通用型的Wi-Fi設備室是無法實現在多個AP設備上同時注冊的只有專用于Wi-Fi定位的Wi-Fi才能夠實現。另外，由于Wi-Fi的頻率特性，使得在建筑物內實現Wi-Fi無干擾的信號全覆蓋定難以實現；Wi-Fi的發送功率較大，會對其他設備進行干擾較大，同時也容易被其他設備干擾，而ZigBee技術由于沒有以上的問題，所以在船舶這種環境內更為適用。

4 數據處理過程

4.1 定位信息獲取

定位功能的目的是通過處理接收到的定位信息來完成定位終端的三維坐標值的計算，并存儲終端的位置信息以供以后查詢［7］。

1）定位微基站設備接收到傳感器定位終端發送的數據后，根據數據類型標識進行判斷處理。對于定位和傳感器數據，將其轉發到數據處理模塊以進行進一步處理，對于非定位數據，將其轉發到處理的數據轉發模塊。

圖2 微基站定位數據上報流程圖

2）數據處理模塊根據接收的定位數據提供的時間片、ID信息，通過處理接收信號，得到RSSI和LQI定位信息。

3）定位信息經過封裝處理，分別發送到歸屬定位、管理服務器功能組件對應的服務器。

4.2 定位信息的預分析

定位系統收到微基站設備轉發的定位信息后，首先過濾掉不可用的定位信息，然后迭代信號以獲得可用的定位信息［8～9］。

具體為以下實現過程：

1）定位系統收到通過微基站設備轉發的定位信息；

2）對該信息進行校驗運算，對于通過校驗運算的信息，發送到濾波模塊進行濾波運算，對于不合格數據則舍棄；

3）對于通過校驗運算的定位信息，則對一幀內的三組信息進行濾波運算，對于離散性過大的數據舍棄，合格數據則進行迭代運算；

圖3 定位信息預處理流程

4）由于通過校驗運算以及濾波運算以后，部分不合理數據被舍棄，導致部分時間片上定位信息的數據量不足，所以通過迭代的方式產生合理數據，間插到定位信息中去；

5）將處理完的定位數據發送到運算模塊進行運算處理。

4.3 位運算

以基本的多點定位操作為例，每個功能模塊之間的信息處理流程如圖4所示。

圖4 定位服務器業務分析流程

具體實現步驟：

1）對預處理后的有效定位信息進行現場處理，提取時間片，RSSI，LQI等與定位有關的數據，并發送給單點計算器進行計算處理；

2）根據定位數據，進行單點距離計算，得到定位終端與微基站設備之間的相對距離，并將該距離數據發送至多點相對位置計算器進行處理；

3）多點相對位置算術單元基于距離數據，即校正后的距離數據和角度數據，從單個微基站設備計算定位終端的相對坐標，并將坐標數據發送到用于坐標處理的3D坐姿標準；

4）經過3D坐標轉換后，可獲得空間中移動坐標的特定平面坐標數據，再根據空間信息獲得定位終端的3D坐標值；

5）3D坐標值將被位置服務管理模塊存儲以用于后續的管理調用。

4.4 位置值進階處理

將計算出的定位終端的位置值與先前的位置值進行比較，以判斷位移的合理性。進階處理后的位置值將與時間戳一起存儲在數據庫中，授權用戶可以訪問定位系統以實時或歷史記錄查詢定位終端的位置。

5 軟硬件設計

5.1 硬件構成

5.1.1 微基站

該設備由電源模塊，應用處理器，二層交換以太網，光電轉換單元，存儲器，FLASH，射頻處理模塊組成，硬件結構如圖5所示。

圖5 微基站結構框圖

其主要具備的功能：完成ZigBee完成無線信號的處理功能；完成以太網信號的光電轉換；完成以太網數據的內部交換；提供提供以太網用戶接口；提供Wi-Fi無線寬帶數據的接入；通過本地開關能夠關掉本模塊。

5.1.2 定位單元

定位單元由電源模塊，JTAG復位模塊，應用處理器，64M FLASH模塊，無線模塊等組成。如圖6所示。

圖6 設備人員定位單元原理框圖

定位終端的功能：定位信號發送功能，定位終端會定期發送可用于定位的無線模型；一鍵報警，定位終端可以通過定位終端上的報警鍵快速發送報警信息。

5.2 嵌入式軟件設計

定位微基站的嵌入式軟件架構無線芯片處理模塊，操作系統內核模塊，庫模塊，硬件驅動管理模塊和應用模塊，如圖7所示。

圖7 定位微基站軟件結構

微基站的嵌入式軟件在硬件上分為兩部分，一部分嵌入在無線芯片的處理器中，主要完成協議協議棧的處理，并完成管理各種射頻參數（信道，發射功率，發射頻率等）；另一部分嵌入在應用處理器中，嵌入式Linux操作系統，完成基礎無線設備驅動程序，網絡層驅動程序和數據包處理功能，其內部庫文件完成加密，身份驗證和sqlit小型數據庫管理，其硬件管理主要完成無線協議的管理和數據寄存器的存儲管理，其應用層主要實現數據包分析和轉發路由。

5.3 定位系統三維呈現

船的3D定位系統以三維圖形格式顯示船只的形狀。同時，在三維圖形中以不同的方式標記設備，人員和系統設備的位置。同時，每個甲板的結構布局都顯示在平面上。當人員或設備位于建筑物中時，相應的點將顯示在監視室的屏幕上，并將動態地實時顯示在相應的圖標位置［10～12］。

6 結語

3D定位系統可以確定人員所在的實時位置；人員在緊急情況下，通過人員定位系統實現一鍵快速告警功能；基于人員的位置信息，可以提供考勤管理等應用功能；基于3D定位，可以實時對設備位置實時監控，防止設備失竊等，因此本文提出的基于WSN的船舶的3D定位系統設計與實現具有較強的現實意義和參考價值。