基于CC2431的井下人員定位系統設計

祝開艷 李松松 曹立杰 姜鳳嬌

摘要：為了滿足井下人員定位的需要，設計了一種基于CC2431的無線定位系統。采用CC2430作為定位參考節點，帶有定位引擎的CC2431芯片作為跟蹤定位節點，跟蹤節點利用從參考節點處接收到的信號強度估算與各參考節點之間的距離，利用定位算法計算出自身位置坐標，并發送給監控中心。本文設計了定位系統模型，并在傳統的三角質心算法基礎上提出了改進的加權三角質心算法，從而減小定位誤差，提高定位精度。實驗表明該方法能夠比較準確地獲取井下人員的位置，為管理人員及時掌握井下人員情況提供依據，且成本較低，實用性較強。

關鍵字：傳感器網絡；無線定位；CC2431；信號接收強度指示器（RSSI）

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（a）-0000-00

0 引言

隨著社會發展和無線傳感器網絡技術及通信技術的發展，基于位置的服務（LBS）越來越重要[1]。我國煤礦資源豐富，但是煤礦井下環境復雜，事故頻有發生。為了保障井下人員的安全，對他們在井下的位置和情況的及時掌握非常重要[2]。目前，已有的井下人員定位系統的功能比較全面，但結構復雜，成本昂貴，只適合大規模煤礦生產企業應用，對于中小規模煤礦來說成本高昂，難以普及[3]。為此，本文設計了一種基于CC2431的無線傳感器定位系統。該系統采用基于RSSI的加權三角形質心定位算法，實現對井下人員的定位。CC2431芯片具有測量RSSI（received signal strength indication）的功能，無需添加額外的硬件設備來進行精確的時間同步和角度測量，降低了成本，且系統的可擴展性良好[4]。

1 系統模型

基于CC2431的井下無線定位系統主要包括參考節點、跟蹤定位節點、網關三大部分。其中網關作用相當于ZigBee的協調器，可由CC2430擔任，負責整個無線定位網絡的協調服務，即將跟蹤節點結算出來的位置坐標發送給監控中心（上位機）。參考節點為已知位置坐標的節點，可用若干CC2430模塊實現。參考節點的位置部署可隨機也可固定，由用戶自己決定，一旦部署完成后，節點的位置就不會發生改變。跟蹤定位節點為移動節點，由CC2431模塊實現，其位置是隨跟蹤對象位置的變化而變化（跟蹤節點由井下人員佩戴），位置坐標由CC2431的定位引擎通過接受參考節點的RSSI值并經過定位算法計算得到。在本定位系統中，定位精度與參考節點數量有關，一般而言，參考節點越多，定位精度越高。

2 定位算法

RSSI（received signal strength indication）是一種常見的低成本測距技術。其基本原理是根據接收信號強度將無線信號的傳輸損耗轉換成節點間距離[5]。RSSI值是信號發射節點與接收節點之間距離的函數，其計算公式如下[6]：

（1）

式中：RSSI值為信號能量平均值，d為發射節點與接收節點之間的距離，n反映了在具體的傳播環境下信號能量隨收發器間距離增加而衰減的速率，A為天線全向模式下距發射節點1米處接收信號的RSSI絕對值，與信號發射強度有關。由CC2430/CC2431測得的RSSI值具有100 dB的動態范圍及很好的線性。

設參考節點A，B，C，跟蹤定位節點D，根據RSSI模型計算出的節點A和D的距離為 ；節點B和D的距離為 ；節點C和D的距離為 。分別以A，B，C為圓心，以 、 和 為半徑畫圓，可得交疊區域，如圖2所示。計算三圓交疊區域的3個特征點的坐標，以這三個點為三角形的頂點，特征點即為三角形質心。如圖3所示，特征點為E，F，G，特征點E點的計算方法為：

（2）

式中， 和 （ ）分別為各參考節點的橫坐標和縱坐標。同理，可計算出F點、G點坐標 ， 。計算由E、F、G三點構成的三角形的質心就近似得到了定位節點的位置信息。在圖3中，實際點為D；三角形質心算法出的估計點為M；三邊測量法算出的估計點為N。可知，三角形質心算法的準確度更高。

圖2 基于RSSI的定位算法 圖3 三角形質心定位算法

通過分析發現，三角形質心算法沒有反映出參考節點對跟蹤定位節點位置信息的影響大小。因此可以通過加權因子的形式，使參考節點對未知節點產生不同的決定權，反映參考節點對跟蹤定位節點位置信息的影響力大小。其數學公式如下：

（4）

其中， 是用加權三角質心算法所求出的質心坐標（即為定位節點的坐標）。 ， ， 分別為定位節點獲得的定位節點與3個參考節點之間的距離值。加權因子 ， ， 反映了離定位節點距離越近的參考節點在位置信息計算中所占權重最大。

定位系統的定位效果可用定位誤差來反映。假設真實的定位節點位置坐標為 ，而經過定位算法計算得到的定位節點坐標為 ，定位誤差定義為：

（5）

3 實驗結果及分析

本系統的網關（協調器）將CC2430＼CC2431的定位數據可以由實時在線仿真器通過USB接口直接連接到電腦，實現對礦井下人員的實時定位跟蹤。表1給出了分別采用三角質心定位算法和加權三角質心定位算法的定位誤差。從表1不難看出，采用加權三角質心定位算法的定位誤差較小，說明定位坐標越接近節點真實坐標，定位精度越高。

為了保障礦井下人員的安全，對他們在井下的位置和情況的及時掌握，本文設計了一種基于CC2431的井下人員定位系統。該系統以CC2430作為參考節點，CC2431作為跟蹤定位節點，井下人員的位置坐標由CC2431的定位引擎通過接收參考節點的RSSI值并經過定位算法計算得到。為了提高定位精度，本文還設計了一種基于RSSI的加權三角形質心定位算法。最后，通過實驗驗證了該定位系統的實用性和有效性。該定位系統在室內無線定位領域具有一定的應用前景。

參考文獻：

[1]呂源，李軍. 基于CC2431的室內定位系統[J].現代電子技術，2009，32（2）：103-105.

[2]R. M. Vaghefi， M. R. Gholami and E. G. Strom. RSS-based sensor localization with unknown transmit power[C]. Proceedings of international Conference of Acoustics，Speech， Signal Process（ICASSP'11）， Czech Republic， 2011：3284-3287.

[3] 李俊霞，陳峰. 井下人員定位系統的設計與實現[J].河南師范大學學報（自然科學版）， 2013，41（2）：165-169.

[4]G. Wang and K. Yang. A New Approach to Sensor Node Localization Using RSS Measurements in Wireless Sensor Networks[J]. IEEE Transactions Wireless Communication， 2011， 10（5）：1389–1395.

[5]葉阿勇，許力，林暉.基于RSSI的傳感器網絡節點安全定位機制[J].通信學報，2012，33（7）：135-142.