密集型母線槽溫度監測參數異常點定位方法*

文 典， 謝維成， 胡 銳， 楊加國， 蔣文波

(1.西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都 610039； 2.成都大學 信息科學與工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

ZigBee[1]無線監控母線槽系統能夠實時監測和采集覆蓋在其網絡區域內的母線槽接頭及插接箱信息，然而母線槽系統規模龐大復雜，一旦接頭處溫升超過閾值引發電氣火災，后果難以控制。如何在眾多監測點中定位溫升異常點顯得尤為重要。接收信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)技術的定位方法[2]無需額外安裝硬件，RSSI值可由母線槽監測節點設備提供測量。而樓板遮擋與人員走動導致環境變化，使無線信號受到反射、散射、衍射和多徑效應影響增加，導致RSSI值測量不準確，定位誤差增加。文獻[3]通過對整體環境分割，增加錨節點的密度提升了子區域擬合環境參數精度，改進定位精度，但增加錨節點密度制約了網絡擴展性能也增加了網絡成本。文獻[4]通過改進質心定位算法來提升定位精度，但忽略了多變的環境、采用經驗值的信號衰減指數對測距的影響。文獻[5]采用多維標度法求解RSSI值構建的相異性矩陣，以粒子群算法來優化坐標變換參數，提升了算法的抗干擾能力。上述算法都能在定位精度和克服環境影響方面得到提升，但普遍存在計算量和通信開銷偏大的問題。

本文考慮成本和開銷，參照母線槽無線監控系統監測節點布置情況，以RSSI值的大小排序決定參與定位的錨節點，動態修正信號衰落參數，再用錨節點自定位修正測距誤差，最后加權質心計算出節點坐標。通過仿真實驗可知算法提高了環境適應能力，定位誤差滿足母線槽監測參數異常節點的定位需求。

1 系統結構與網絡

ZigBee無線監控母線槽系統結構由現場監測模塊、監控服務中心及遠程監控3部分組成。

現場監測部分由上千個ZigBee無線傳感器模塊組成無線傳感器網絡定位系統。為滿足綜合體建筑母線槽配電系統眾多監測節點的網絡需求，采用網狀網絡拓撲結構，網絡覆蓋區域大且擴展性強，具有自組織能力和自愈性，數據可以多方靈活傳輸,當有個別節點失效時也能保障數據傳輸的可靠性。

2 RSSI定位測距

2.1 無線信號損耗模型分析

2.2 環境參數值實時修正

復雜的室內環境中，衰減值可能會有很大差異。因此，將整個區域劃分為幾個子區域以提高精度是合理的，但即使在相同的環境下，季節或天氣的變化，都會改變信道特征。為了進一步提升模型的環境適應能力，運用已知錨節點坐標這一特點[7]，一旦知道異常節點附近子區域內的任意2個錨節點，可得信號損耗指數n(RSSI-Q)/(10lg(d))，但任2錨節點確定參數可能產生較大誤差，因此，選擇異常節點接收RSSI值最大的3個錨節點，即理論上距離異常節點最近的3個錨節點來修正參數。如圖1所示，假設O為異常節點，A,B,C為選擇參與定位的3個錨節點，可認為4個節點處在相同的特征環境內。錨節點A，B，C坐標距離已知，且相互之間可通信，可由此計算出信號衰減模型中的參數Q和n。

當B，C接收到A發射的信號分別為RAB,RAC時，有

(1)

求解可得到nA,QA。同理可計算出錨節點B,C的參數分別為nB,QB,nC,QC。

考慮A,B,C三點對O點的不同影響，以O點接收到A,B,C三點的RSSI值RAO,RBO,RCO為權值求平均，得到參數異常節點動態子區域的環境參數

(2)

由此修正測距模型計算節點間的距離d。

2.3 二次修正測距

3 加權質心求解節點坐標

由無線信號損耗模型可知，節點間的距離d與RSSI值成反比，距離越小可靠度越高，因此，將距離信息作為權值加入質心定位算法中提高定位精度。

由前述計算出異常節點到錨節點A，B，C的距離分別為d1，d2，d3。以w=1/d的倒數作為權值，得到異常節點x坐標值為

(3)

同理，可得到y,z的坐標。權值中的m為權值調整系數，能夠調整權值修正程度。在MATLAB仿真實驗中，得到當m=3.5時效果較好。

4 仿真實驗

在MATLAB軟件中進行定位仿真實驗。實驗仿真環境設置為10 m×15 m×20 m區域。選擇60個節點設置為錨節點，假定異常節點10個。節點坐標如圖2所示。

圖2 節點坐標示意

當監測節點參數飆升超過閾值則認定異常，發出定位請求。在仿真實驗中根據假定的異常節點位置,各錨節點通過改進的信號衰減模型得到接收功率。為了模擬建筑內的環境干擾，添加標準差σ為3的高斯隨機變量作為RSSI的測量值計算距離，信噪比為1︰5。由定位坐標與實際坐標間的歐氏距離表示誤差E

(4)

如圖3所示為假定的10個異常點的預設位置與定位位置的仿真結果。

圖3 實際坐標與定位坐標

可以看出,10個未知節點中，節點10誤差最小(0.83 m)，節點9誤差最大(1.49 m)，平均誤差為1.19 m。

圖4為誤差比較，可以看出修正后節點誤差降低。因母線槽接頭位置間距以及樓板間距離都普遍大于最大誤差距離，且水平平均誤差0.9 m，垂直平均誤差0.23 m，仿真實驗結果較理想。

圖4 誤差比較

5 結 論

配電系統的要求越來越趨近智能化，大型商住一體建筑的用電安全尤為重要。結合ZigBee無線監控智能母線槽系統，無需安裝其他硬件設備，針對參數異常節點附近區域動態修正環境參數,優化無線信號損耗模型后二次修正測距，計算異常節點坐標。仿真實驗結果較理想，可應用于母線槽系統溫度監測參數異常點定位。