基于ZigBee中繼器礦山井下人員定位算法

張亞琳

摘 要：文中提出了一種基于ZigBee中繼器的礦山井下人員定位算法。該算法基于ZigBee的接受信號強度模型，使用三角質心定位算法以降低環境因素對定位算法的影響。同時，使用合理的去噪方法，以減少無線信號的噪聲干擾并增強定位算法的健壯性和精確度，從而使其能夠應用于井下實時精確定位。

關鍵詞：ZigBee；人員定位；無線通訊；去噪

中圖分類號：TD76 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-00-02

0 引 言

礦山安全事故頻發，井下人員定位系統是礦山安全生產監測管理系統的一個重要組成部分[1]。近年來，基于無線通信技術的系統已被應用在礦山生產中以進行人員定位 [2]。ZigBee無線通信技術作為一種新興的最具代表性的無線傳感網絡[3]，由于ZigBee設備具有低功耗、低成本、使用便捷等顯著的技術優勢，因此各大礦用產品生產廠家也開始嘗試在礦山井下組建ZigBee無線通信網絡，積極研發基于ZigBee無線通信技術的井下人員管理系統。本文提出了一種基于ZigBee的中繼器礦山井下人員定位系統。

1 井下人員定位算法

1.1 總體設計方案

文中提出的礦山井下人員定位系統的總體結構如圖1所示。在該系統中，讀卡器主要負責建立網絡、收集信息以及與分站通信。一旦讀卡器建立好網絡，其他設備（如中繼器）就可以加入網絡。由于中繼器具有多級消息轉發功能且在安裝時位置是固定的，所以管理人員可以根據實際情況在中心站上為讀卡器和中繼器分配好坐標，當識別卡進入中繼器或讀卡器的通信范圍時，會主動加入網絡，并和中繼器通信，中繼器將自己的位置信息發送給識別卡，識別卡根據收到的中繼器的位置信息和信號強度信息進行定位計算，并最終將自己的位置信息通過中繼器傳送給讀卡器，讀卡器將識別卡信息通過分站傳送給中心站顯示。

1.2 人員定位

系統進行人員定位主要分七個步驟進行：

（1）使用讀卡器創建網絡；

（2）將中繼器加入網絡，并向讀卡器發送自己的坐標信息，這時與讀卡器相連接的PC機就可以獲得該中繼器的信息，并可對中繼器進行坐標配置；

（3）識別卡加入網絡，并廣播位置請求；

（4）所有通信范圍內的中繼器收到位置請求信息后回復應答信息；

（5）識別卡收到應答信息后，取所有范圍內中繼器的RSSI值[4]，可以取同一地址多次RSSI的值做平均；

（6）識別卡收到請求信息后，利用前面測得的RSSI值進行差分修正定位計算，并把定位計算出的坐標值發給讀卡器；

（7）讀卡器收到識別卡發來的信息后，通過分站傳送給中心站，中心站進行上位機的處理工作。

1.3 定位算法

在礦山井下人員定位系統中，最重要的是定位算法。學術界已有大量關于無線設備間距離估計和定位的研究[4，5]。在基于測距的定位算法中，接收信號強度指示 （Received Signal Strength Indicator，RSSI）是最常用的算法之一[4]。

基于接收信號強度的測距是一種廉價的測距技術，也是本文測距算法的基礎。已知發射信號強度，接收節點根據收到的信號強度計算信號在傳播過程中的損耗，使用理論或經驗的信號傳播模型將傳播損耗轉化為距離。該技術硬件要求較低、算法相對簡單，在實驗室環境中表現良好，但由于環境因素的變化，其在實際應用中往往還需要改進。

由于環境的復雜性，一般信號在干擾下衰減程度會更快，在大多數情況下根據RSSI測距得到的距離一般總大于實際距離。根據這個特性，文中利用三角質心定位算法來計算近似的盲節點位置[6]。三角質心定位算法原理圖如圖2所示。算法主要部分在于求兩圓交點，解二元二次方程較為復雜，可通過三角形余弦計算公式求某一邊與兩圓連心線的夾角，通過反正切求兩圓連心線與水平線的夾角，然后聯合圓心坐標計算交點坐標。在所有交點中確定出離各圓心最近的三個點構成的三角形，求其平均值便得到了該三角形的質心，從而定位了盲節點的位置。將盲節點到三個參考節點的測量距離作為半徑，各參考節點為圓心畫圓，重疊區域大致可以構成一個三角形，通過計算三角形的質心就近似得到了盲節點的實際位置。

1.4 去噪

如果將同一個RSSI值對應的距離列出，將不是一一對應的關系，即使在開闊地，距離與信號強度關系也不會完全按經驗公式進行，每一個RSSI值對應一個距離范圍，強度大的值出現的范圍小，強度小的值出現的范圍大。這主要是因為信號受到干擾，在接收處理時其值往往會隨干擾的強度而變小，所以在整個測量過程中，同一個距離的信號會出現很多值，且在一個范圍內出現。近距離時RSSI值較大，距離較遠時信號會快速衰減，所以在較遠的地方不會出現較大的RSSI值。這種現象對采用RSSI值測距的模型和公式帶來相當大的測量誤差。

為保證測量的準確性，在RSSI測量值處理過程中，大多采用均值模型，即未知節點將同一處采集到的同一個信標節點的一組n個RSSI值進行平均處理，通過調節n值來平衡實時性與精確性。均值處理模式方法簡單，應用范圍廣，但這種方法存在外部因素的影響往往使測量結果變小（開闊地）和偶然因素的影響使得取樣次數太少這兩大弊端，達不到效果，而取樣次數過多會帶來很多負面影響（能耗、收斂時間等）。目前ATOS所采用的去噪方式如下：

（1）固定節點在短時間內多次廣播定位信號，確保移動節點每次收到的都是有效的定位信號，避免因為采用了不正確的定位信號而導致位置計算錯誤；

（2）參考多個固定節點的位置信息，將每一個收到的固定節點的定位信號與信號最強的那個固定節點分別做運算，然后將其求均值。此舉提高了單次定位的準確度；

（3）每次計算移動節點的位置時都參考前幾個移動節點的位置信息，延長收斂時間，雖然跟隨效果略有減弱，但能夠平滑極不穩定的RSSI值。

2 測試結果

本算法在利國鐵礦380米處，以帶天線的2430作為移動點，以1米作為距離單位進行了測試，測量了20米內的RSSI值定位情況。實驗結果如表1所示。測試發現井下的通訊環境較為理想，中繼站的固定點最好的擺放方向是天線朝下，其次是天線朝上，天線側放時信號較差。

3 結 語

本文根據ZigBee無線通訊技術的特點，設計了基于ZigBee中繼器的礦山井下人員定位方法。使用基于RSSI的三角形質心定位算法，提高對人員定位的準確度；通過結合去噪算法，降低了無線信號的噪聲干擾并有效地增強了定位算法的健壯性和精確度。實驗證明文中提出的基于ZigBee中繼器礦山井下人員定位方法是有效的。

參考文獻

[1]向軍.井下人員定位系統在安全生產中的應用[J].采礦技術，2015，15（5）：82，98.

[2]夏馳穹， 張杰.基于無線通信技術的井下人員定位系統設計[J].科學與財富，2013（12）：113.

[3]張習勝.ZigBee無線網絡協議的路由算法分析與實現[J].電子元器件應用，2010，12（7）：53-56.

[4]周艷.基于RSSI測距的傳感器網絡定位算法研究[J].計算機科學，2009，36（4）：119-120，150.

[5]熊瑾煜，王巍，朱中梁.基于泰勒級數展開的蜂窩TDOA定位算法[J].通信學報，2004， 25（4）：144-150.

[6]趙大龍， 白鳳山， 董思宇，等.一種基于卡爾曼和線性插值濾波的改進三角質心定位算法[J].傳感技術學報， 2015，28（7）：1086-1090.