基于Zig Bee定位的鐵鞋監測系統

鄭云水，常樹賢，成利剛

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州730070)

0 引言

防溜鐵鞋是鐵路運輸部門防止停留車輛溜逸而設置在鋼軌與車輪間的固定裝置?！惰F路技術管理規程》(2006年10月版)第242條明確規定:線路上停留車輛，在不作業時，應以鐵鞋等防溜裝置牢靠固定［1］。隨著鐵路六次提速和生產力布局的調整，站段的管轄區域比以前大大拓寬，作業面分散、點多線長，鐵鞋作業量巨大。當前的作業辦法主要依靠操作人員的互控、頻繁的現場察看來確保鐵鞋狀態完好，這種辦法主觀因素較多，作業隨意性大，實際作業流程與作業標準相差甚遠，安全隱患隨處可見，因鐵鞋裝或卸的誤操作導致的車輛溜逸、鐵鞋被盜、脫軌掉道等事故時常發生。如何有效地管理和使用好鐵鞋是一個安全問題。

中南大學的宋立志、張丹婷在《基于無線通信的智能防溜鐵鞋系統設計》中介紹了基于無線通信的全自動智能防溜鐵鞋系統，通過信號臺與主控監測裝置的串口連接，主控監測裝置與工作人員中介通信模塊的無線通信連接，中介通信模塊與鐵鞋信號模塊的無線通信連接，鐵鞋信號模塊與主控監測裝置的無線通信連接等一系列的循環連接實現全自動遠程控制功能，利用無線收發芯片nRF401作為無線收發控制電路的核心，再通過壓力傳感器的靈敏感知和鐵鞋自鎖實現安全操作的目的［2］。雖然此系統解決了當前鐵鞋存在的不足，但不知道無線傳感器節點(鐵鞋)的位置而感知的數據是無意義的。因此，本文采用當前應用廣泛的Zig Bee技術在無線傳感器網絡定位的優勢［3，4］，設計一種新型的基于Zig Bee定位技術的鐵鞋監測系統。

1 系統框架

在本設計中，為了達到對鐵鞋的位置和狀態實行實時的監控，系統具備數據采集、遠程通信與控制、存儲管理等功能。主要結構劃分為室外定位監測系統和中心機房監控管理系統，如圖1所示。

圖1 鐵鞋定位監控系統的框架Fig 1 Framework of iron shoes positioning monitoring system

1.1 室外定位監測系統

定位監測系統的網絡由協調器、定位參考節點和移動節點組成。本設計采用CC2430/CC2431單片機作為無線通信定位主控芯片。

協調器和定位參考節點采用相同的硬件設備，由電源管理模塊和Zig Bee無線通信模塊組成。Zig Bee無線通信模塊采用TI公司的Zig Bee SOC射頻芯片CC2430，其高性能8051內核和2.4GHz無線模塊可以方便地從軟件和硬件上實現Zig Bee協議。協調器是無線傳感網絡的核心，協調器建立和維護整個網絡，并與控制臺通過線纜相連實現現場和室內的通信。

移動終端是安裝在鐵鞋上，Zig Bee無線通信、定位及信息處理采用TI公司的Zig Bee SOC射頻芯片CC2431。CC2431內置硬件定位引擎實現自定位，自動將計算得到的位置坐標和鐵鞋身上的位移傳感器采集的信息通過Zig Bee網絡進行上傳。

1.2 機房監控管理系統

室內監控管理系統是為鐵鞋管理人員提供一個良好的管理平臺，系統的主要功能包括對鐵鞋操作人員的管理和鐵鞋的管理。對于鐵鞋工作人員進行管理，設置其權限，使責任到人，可獲知操作人員的具體操作，主要對工作人員領鞋、放鞋、取鞋、還鞋進行管理;鐵鞋的管理有鐵鞋編號、鐵鞋的報警以及鐵鞋在現場位置的實時顯示，并且對報警鐵鞋信息進行查詢和處理，以及對鐵鞋的歷史數據進行查詢。

2 定位算法

傳感網絡定位通常是根據網絡中設置的有限個已知位置的節點，通過這些節點的位置和與其他節點的交互信息，采用不同的方法對無線傳感網絡中的未知節點進行定位?；跍y距定位方法的實現通常包括測距和節點定位2個過程［5］。為了提高定位的精度，本文采用基于接收信號強度指示(RSSI)的距離修正算法［6］，利用最小二乘法對精度進行修正，采用三邊測距法估計出盲節點的位置。

2.1 RSSI測距的實現原理

基于RSSI的測距技術是利用無線電信號隨距離增大而有規律地衰減的原理來測量節點間的距離的。接收信號強度RSSI與傳輸距離d的關系如下所示

式中 n為信號傳播常數，也叫傳播系數;d為與發送者的距離;A為距發送者1m時的信號強度。測距精度的高低受到n與A實際取值大小的影響較大。A是一個經驗參數，可以通過測量距離發送者1m處的RSSI值得到。n是用來描述信號強度隨距離增加而遞減的參量，n的大小依賴具體的環境。為了得到最優的n值，可以先放置好所有的參考節點，然后嘗試用不同的n_index值找到最適合這個具體環境的n值。

2.2 最小二乘法修正距離

從式(1)可以看出:如果知道參考節點與盲節點之間的RSSI值，則可以估算出2個節點之間的距離。然而不同的環境下可能存在不同的信號干擾，采用節點之間的RSSI值估算距離必然存在一定的誤差。這時可以根據特定的環境對測量到的距離采用傳統的最小二乘法進行修正。得到修正后的距離，從而可以更加精確地估算出盲節點的坐標。具體步驟如下:

1)根據實際情況布置好節點，參考節點(Mi，Ni)與盲節點(Mj，Nj)的位置坐標均已知。可以根據 xi=得到實際節點之間的距離。

2)根據式(1)估算出盲節點與各個參考節點之間的距離yi。

3)采用最小二乘法擬合實際距離xi與估計距離yi的關系。假設兩者之間的關系為yi=axi+b，為了使所有數據偏差的平方和尺可能小，假設可以把R2看作自變量a和b的二元函數，要使得R2最小，分別對自變量求導，令其等于0

于是，變量a和b可以通過式(2)與式(3)求出

根據得到的a與b的值可以擬合出修正距離與估計距離的關系Y修=a×X估+b，結合式(1)可以得到

4)布置盲節點，通過式(1)估計盲節點與參考節點之間的距離x，通過第3步擬合好的修正距離與估計距離之間的關系修正估計距離，得到修正的距離Y修。

2.3 盲節點坐標估計

選擇3個接收信號強度最強的參考節點，采用三邊測量法估計出盲節點坐標。假設3個參考節點A，B，C的坐標分別為(ma，na)，(mb，nb)，(mc，nc)，盲節點 E 的坐標(m，n)未知。通過2.2節中4個步驟得到盲節點與3個參考節點的修正距離分別為da，db，dc，則根據兩點之間的距離公式可以得到式

展開并化簡，可得到盲節點E的坐標(m，n)，如式(6)所示

3 軟件設計

在鐵鞋定位監測系統中，計算機網絡的信息管理與監控軟件運行在Windows 2000等操作系統下，采用Visual C++6.0開發工具，并結合控件程序開發代碼進行串行通信程序的編寫，同時，將上傳到地面監控數據信息存儲在SQL server 2005數據庫中。圖2所示為下位機和上位機的軟件設計流程圖。

圖2 系統軟件設計流程圖Fig 2 Flow chart of system software design

4 鐵鞋位置信息實驗驗證

為了驗證修改后能滿足鐵鞋定位的需求，對數據進行采集，并把估計位置與實際位置進行比對，對估計位置和誤差進行分析和比較。

在樓頂上選擇一塊40 m×40 m的開闊環境，布置8個參考節點，坐標分別為(0，0 m)，(0，20 m)，(0，40 m)，(20，0 m)，(20，40 m)，(40，0 m)，(40，20 m)，(40，40 m)，每個節點的實際發射功率與硬件制作、電池電量等因素有關，所以，定位參數A與n值要經過各參考節點附近測量后再經過平均方差計算得到。本實驗中A=41，n=2.3，結果如表1。從測試結果可以看出:定位誤差小于0.5 m，開闊環境下的定位精度誤差比較小，能夠滿足現場的需求。

表1 室外定位實驗結果Tab 1 Experimental results of outdoor positioning

5 結束語

本文設計了基于Zig Bee通信定位的鐵鞋定位監測系統，分析了Zig Bee無線網絡通信與定位技術的原理，對RSSI信號衰減模型中測量的距離進行最小二乘法修正，并在室內、室外進行了實地的定位測量分析。實驗證明了Zig Bee通信與定位技術在鐵路現場運用于現場的可行性，具有較強的實用價值。

［1］陸書齋.鐵路技術管理規程［M］.北京:華中科技出版社，2008.

［2］宋立志，張丹婷，董 婷，等.基于無線通信的智能防溜鐵鞋系統設計［J］.硅谷，2010(14):74-75.

［3］李文仲，段朝玉.Zig Bee無線網絡技術入門與實戰［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［4］馬 鋼.基于Zig Bee的井下人員跟蹤定位系統設計與實現［D］.大連:大連理工大學，2008.

［5］劉文娟.基于RSSI測距的WSNs定位系統設計［D］.大連:大連理工大學，2010.

［6］陳昌祥，達 維，周 沽.基于RSSI的無線傳感器網絡距離修正定位算法［J］.通信技術，2011(2):65-66.