基于物聯(lián)傳感網(wǎng)的抽水蓄能電站ToA室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章結(jié)合抽水蓄能水電站的實(shí)際情況，重點(diǎn)對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)接入方式、傳輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成以及傳輸網(wǎng)絡(luò)的多跳級(jí)聯(lián)進(jìn)行闡述。我們首先提出了基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示指標(biāo)RSSI對(duì)所有測(cè)距的結(jié)果進(jìn)行排序過(guò)濾，然后對(duì)信號(hào)強(qiáng)度越高的測(cè)距結(jié)果分配越高的計(jì)算權(quán)重，其對(duì)定位結(jié)果的影響越大，并且通過(guò)增加定位基站的數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)電磁干擾的影響，最后對(duì)每個(gè)特定的定位基站進(jìn)行有效測(cè)距距離。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后定位精度明顯提高。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；傳感網(wǎng)；傳輸網(wǎng)；水電站；ToA；室內(nèi)定位

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，并非一個(gè)全新的事物，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)“滲入”智能電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，被用于信息采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、回饋控制等，從而全方位提高智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的信息感知深度和廣度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為提高電網(wǎng)效率、供電可靠性提供了技術(shù)支撐，RFID技術(shù)、各類傳感器、定位技術(shù)、圖像獲取技術(shù)等使倉(cāng)庫(kù)管理、變電站監(jiān)控、搶修定位與調(diào)度、巡檢定位、故障識(shí)別等業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)靈活、高效、可靠的智能化應(yīng)用。

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架及軟硬件設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

平臺(tái)包括：2.4GHz定位基站，2.4GHz定位手持機(jī)，433MHz貼片式無(wú)線測(cè)溫傳感器，433MHz雙頻無(wú)線傳感器轉(zhuǎn)發(fā)基站，433MHz通信基站，433MHz通信匯聚端以及應(yīng)用層上位機(jī)軟件。

2.1 貼片式無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用CC1101芯片，CC1101是Ti推出的ISM頻段無(wú)線收發(fā)芯片，其主要工作在433MHz-915MHz頻段，最大的輸出功率可達(dá)10dbm，靈敏度高，低功耗的電流，正常接收模式下為16mA，支持0-500Kbps的傳輸速率，支持多種調(diào)制模式并提供對(duì)同步字的檢測(cè)、地址的校驗(yàn)，具有靈活的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度以及支持自動(dòng)CRC的處理。

2.2 貼片式無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)

文章無(wú)線節(jié)點(diǎn)采用的是一種星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，軟件主要由以下幾方面組成：支持多跳和級(jí)聯(lián)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、A/D轉(zhuǎn)換程序、外部中斷程序以及溫度采集通信程序。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議程序主要包括無(wú)線協(xié)議的相關(guān)部分以及對(duì)傳感器信息的處理。A/D轉(zhuǎn)換程序主要是采集電池電壓。外部中斷程序主要是用于喚醒休眠的CC1101模塊。

3 抽水蓄能水電站定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 水電站室內(nèi)定位系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

在室內(nèi)環(huán)境下，很多遮擋物以及金屬對(duì)無(wú)線電波的反射等原因，能產(chǎn)生多徑干擾和非視距測(cè)距，它們對(duì)實(shí)際測(cè)距結(jié)果會(huì)造成較大的誤差。由于水電站地下廠房?jī)?nèi)遍布著金屬，電磁環(huán)境也比較復(fù)雜，必然會(huì)給測(cè)距結(jié)果帶來(lái)較大誤差，例如會(huì)產(chǎn)生有效測(cè)距距離過(guò)近的問(wèn)題、非視距測(cè)距造成測(cè)量距離過(guò)大的問(wèn)題。

3.2 有效測(cè)距距離過(guò)近的問(wèn)題

表1中的數(shù)據(jù)是在水電站現(xiàn)場(chǎng)，用定位手持機(jī)對(duì)定位基站進(jìn)行測(cè)距的測(cè)試結(jié)果，從結(jié)果可以看出在開(kāi)闊的地下大廳一層有效測(cè)距的距離大概為25米左右，然而在向更遠(yuǎn)的距離進(jìn)行移動(dòng)的時(shí)候，基本測(cè)量不到距離結(jié)果，唯一測(cè)量到的距離值為78米，但是其真實(shí)距離為55米，所以看出復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)測(cè)距結(jié)果干擾很?chē)?yán)重。

ToA算法的測(cè)量距離和真實(shí)距離的關(guān)系為：d1服從N（d，σ2）分布，其中d1是測(cè)量距離，d是定位手持機(jī)和定位基站之間的真實(shí)距離，σ2是測(cè)量方差。σ大小與d成正比例，真實(shí)距離越大，測(cè)量誤差就越大。在非視距測(cè)距的情況下，測(cè)距誤差為1%左右。雖然室內(nèi)環(huán)境的有效測(cè)距距離比較近，但是可以滿足ToA定位系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.3 非視距測(cè)距的影響

在對(duì)安裝了定位系統(tǒng)的地下廠房進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)非視距測(cè)距對(duì)測(cè)距精度的影響很大，當(dāng)出現(xiàn)如下情況的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生非視距測(cè)距的現(xiàn)象，造成測(cè)距結(jié)果比真實(shí)結(jié)果大，嚴(yán)重影響定位的精度。如圖2所示，當(dāng)手持機(jī)與定位基站之間的實(shí)際距離為15米時(shí)，由于它們之間存在著遮擋物，所以無(wú)線電波不能直線到達(dá)被測(cè)基站，實(shí)際的測(cè)距結(jié)果是通過(guò)與后側(cè)墻壁的反射后的距離。實(shí)際測(cè)距的距離為R1+R2≈35米，比實(shí)際距離大了15米。如果此測(cè)距結(jié)果用于最終的定位算法中，將會(huì)嚴(yán)重地影響定位的精度，從而得出工作人員在實(shí)際場(chǎng)景中跳來(lái)跳去的結(jié)果。

3.4 定位系統(tǒng)的優(yōu)化手段

3.4.1 對(duì)定位基站進(jìn)行擴(kuò)展參數(shù)設(shè)置

水電站地下大廳內(nèi)一共布置了9個(gè)定位基站，因此理論上定位手持機(jī)最多可以測(cè)量到周?chē)?個(gè)定位基站的距離，但是最小二乘法等定位算法使用3組測(cè)距結(jié)果即可。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，每個(gè)定位基站的有效測(cè)量距離都在40米以內(nèi)，并且由于遮擋物位置的不同，所以每個(gè)定位基站會(huì)有所差異。在數(shù)據(jù)庫(kù)端對(duì)每個(gè)定位基站進(jìn)行有效的距離配置時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)超過(guò)此測(cè)量距離的數(shù)值時(shí)，可以直接過(guò)濾掉該數(shù)值，從而最大程度地避免多徑干擾和非視距測(cè)距距離對(duì)定位結(jié)果的影響。

3.4.2 對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化

在傳統(tǒng)的ToA算法中，每組測(cè)距結(jié)果的N個(gè)測(cè)距值的權(quán)重是一樣的，這樣一個(gè)或幾個(gè)測(cè)距偏差比較大的測(cè)距值將直接導(dǎo)致定位結(jié)果誤差偏大。結(jié)合水電站的實(shí)際使用環(huán)境來(lái)看，接收信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值越大的測(cè)距結(jié)果，其真實(shí)距離越遠(yuǎn)，那么測(cè)量距離的誤差就可能越大。因?yàn)榘惭b的定位基站數(shù)量比較多，每個(gè)基站之間的間隔為25米，所以測(cè)距距離越近的越可靠是毋庸置疑的。

4 水電站現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)定位結(jié)果

首先過(guò)濾掉不合理的ToA測(cè)距距離，在圖3中的“*”ToA代表用僅過(guò)濾后得到的ToA測(cè)距距離進(jìn)行定位的位置結(jié)果，再根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度指示指標(biāo)RSSI對(duì)過(guò)濾后的ToA測(cè)距距離進(jìn)行排序，并且對(duì)信號(hào)強(qiáng)度越高的測(cè)距結(jié)果分配越高計(jì)算權(quán)重，圖中“+”RSSI-ToA代表用排序加權(quán)后進(jìn)行定位的位置結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了彌補(bǔ)ToA算法在水電站環(huán)境中的缺陷，通過(guò)RSSI確定不同的測(cè)量距離值分配不同的計(jì)算權(quán)重值，在水電站地理環(huán)境中放置多個(gè)定位基站來(lái)解決復(fù)雜的電磁環(huán)境下單個(gè)基站有效測(cè)距距離過(guò)近的問(wèn)題，對(duì)各個(gè)基站設(shè)定不同的權(quán)重值和有效測(cè)距距離，最大程度地過(guò)濾掉不合適的測(cè)量距離值，從而加大可信度高的測(cè)距值的權(quán)重，使定位結(jié)果更接近于實(shí)際位置，提高了定位系統(tǒng)的精度。

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