無線Mesh自組網技術在室內定位的應用

劉 宇，劉多納，楊曉輝，楊 磊

(重慶郵電大學 光電信息感測與傳輸技術重慶市重點實驗室，重慶 400065)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.08

劉宇，劉多納，楊曉輝，等.無線Mesh自組網技術在室內定位的應用[J].無線電通信技術,2018,44(1):39-42.

[LIU Yu，LIU Duona，YANG Xiaohui，et al.Application of Wireless Mesh Ad Hoc Network Technology in Indoor Positioning [J].Radio Communications Technology,2018,44(1):39-42.]

無線Mesh自組網技術在室內定位的應用

劉 宇，劉多納，楊曉輝，楊 磊

(重慶郵電大學 光電信息感測與傳輸技術重慶市重點實驗室，重慶 400065)

針對目前一些要求較高的人員定位系統定位成本高、距離短、無法實時顯示多個人員位置等問題，研究并設計一種基于無線Mesh網絡與慣性傳感器的室內定位系統。該定位系統解決了在室內較為封閉的環境下無法實現人員定位和定位距離受限等關鍵性問題。將慣性傳感器與無線Mesh網絡的優勢結合，構建完整的星型多路徑人員定位系統。通過測試該定位系統得到的數據，表明該定位系統能夠較好地滿足火災救援等嚴峻工作環境下人員的定位需求。同時，與傳統室內定位系統相比，基于無線Mesh網絡的人員定位系統在組網的操作性、成本、穩定性等方面具有較大的優勢。

無線Mesh網絡；慣性傳感器；人員定位；自組網

TN391.4

A

1003-3114(2018)01-39-4

2017-10-09

國家自然科學基金項目(61301124，61471075，61671091)；重慶市科委基礎研究項目(cstc2014jcyjA1350)；重慶郵電大學博士啟動基金項目(A2015-40)；重慶科委自然科學基金項目(cstc2016jcyjA0347)

ApplicationofWirelessMeshAdHocNetworkTechnologyinIndoorPositioning

LIU Yu,LIU Duona,YANG Xiaohui,YANG Lei

(Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectronic Information Sensing and Transmitting Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Some personnel positioning systems with higher requirements have such disadvantages as high positioning cost,short distance,unable to display real-time positions of multiple people,etc.In view of these problems,this paper studies and design an indoor positioning system based on Mesh network and inertial sensor.The system can implement personnel positioning in closed environment,and the positioning distance is not limited.Combining the advantages of wireless Mesh network with that of inertial sensor,a complete star multi-path staff positioning system is built.The test results show that this positioning system can better meet the requirements for personnel positioning in severe environment such as fire disaster.Compared with traditional indoor positioning system,the personnel positioning system based on Mesh network is advantageous in operatability,cost,stability,etc..

wireless Mesh network; inertial sensor; personnel positioning; ad hoc network

0 引言

隨著室內定位技術的發展，多種室內定位導航系統不斷涌現。室內定位系統能夠實時感知人員當前所處的位置、狀態等信息，不僅可以達到定位人員了解自己所處位置的目的，在應急救災方面還可以讓外部人員清楚地知道內部人員的位置和狀態，提高救援人員調度和管理的效率[1]。

文獻[2]利用ZigBee技術實現了煤礦人員的定位，文獻[3]根據慣性導航與WSN的結合，設計了井下人員的定位系統，諸如此類的人員定位系統種類繁多，各有優勢。基于此，本文在借鑒前人研究工作的基礎上，結合無線Mesh網絡的優勢，利用慣性傳感器自組網技術實現復雜環境下的人員定位。

1 無線慣性傳感自組網技術

MEMS慣性傳感器在如今的室內定位領域越發活躍，得到了廣泛運用和快速發展。MEMS慣性傳感器擁有其他傳感器不具備的尺寸小、重量輕、功耗低等優勢，且適合批量生產，能夠安裝在人體的頸、腰、足等身體部位，實時準確地感知人體的位置和姿態等信息，再通過無線通信的方式將這些數據發出就可以實現室內人員的定位[3]。多數室內定位系統會選擇Wi-Fi、GPRS等無線通信方式，這些方式都需要提前布點，只能在網絡覆蓋范圍內進行定位，當面對復雜惡劣環境或突發事件，以上定位方式并沒有優勢可言[4]。本文使用慣性傳感器自組網技術實現復雜環境的人員定位。能夠不受環境的約束，靈活使用，對更好地解決各種復雜環境下的組網任務具有重要的理論和實際意義[5]。

2 無線Mesh網絡

無線 Mesh 網絡將無線局域網和移動自組網相結合，是一種全新的網絡架構，代表了無線自組網技術的發展方向，近幾年得到了人們的廣泛關注。無線 Mesh 網絡是低功率的多級跳點網絡，它是把信息從一個節點傳遞到另一個節點，直到信息到達目的地。對于點對點的網絡，節點會自動過濾信號只接收自己需要的信息，而網狀網絡的節點接收到要傳給其他節點的信息時，會像中繼一樣把它們再次傳送出去[6]。

圖1 Mesh網絡示意圖

因此每個無線 Mesh網絡的節點可以作為接入終端，也具有路由和信息轉發的功能，具有極高的組網自由度。無線 Mesh 網絡還提供從源節點到目的地的多條冗余通信路徑。如果一條路徑由于故障或干擾而停止工作，網絡會自動改變傳輸的路徑，使信息通過其他路徑傳輸[7]。

Mesh網絡的自組網協議是針對硬件資源條件苛刻的移動自組網設計的，適用于移動速度快、拓撲結構變化快的無線網絡，有對網絡拓撲結構的變化敏感、網絡吞吐量高等優勢[8]。

3 定位系統設計

室內定位系統需要感知人員的實時位置，這不僅要通信距離遠、速度快，網絡的拓撲結構也經常改變，屬于比較苛刻的移動自組織網絡[9]。

傳統的室內定位網絡需要提前布點或利用有線網絡。本文要解決的關鍵問題就是如何建立靈活的無線定位網絡。采用Mesh 路由協議就可以充分利用網絡資源、平衡網絡負載、改善通信性能、避免網絡震蕩[10]，以適應室內定位系統這樣快速變化的網絡拓撲結構，并且有強大的功能和很好的可擴展性，方便在網絡中增加定位的人數。

本定位系統主要用于復雜密閉環境下室內人員實時定位問題，尤其是在無法傳輸無線信號的地下礦井或車庫里，面對地震火災等突發情況，不需要提前布置網關，也不用借助有線網絡，定位系統組網快速靈活，解決了當今的定位系統成本高、速度慢等問題，有很大的實用價值。

3.1 定位系統的整體結構設計

本室內定位系統由定位終端節點、中繼器、集中器和上位機電腦組成，是一個以上位機為中心，定位終端和中繼器為節點的星形網絡。定位終端節點需要佩戴在人員腰部，負責采集數據和處理數據，并將解算后的位置信息通過無線發送至中繼或者上位機電腦。中繼器和集中器的作用是將上位機的命令傳輸給定位終端節點以及將定位節點采集的數據返回給上位機。上位機會依次發送指令給定位節點，節點接收到指令便發送解算后的數據，沒有收到指令的節點處于等待狀態，上位機收到各組數據后在界面上顯示每個定位人員的軌跡和位置。系統的整體結構如圖2所示。

圖2 室內定位系統整體結構圖

3.2 定位節點的硬件設計

定位終端節點包含感知人員位置和姿態等信息的傳感器模塊。微處理器選用ST公司的基于ARM Cortex-M3內核的STM32系列，該處理器指令豐富，提供了JTAG接口用于程序的下載與調試，還包含了大量的I/O接口，方便上位機讀取串口數據，具有高性能、易于開發、實時性強等特點。MEMS加速度計使用Murata公司所生產的SCC2230-E02，能同時采集3個軸向的加速度值，穩定性較好，可靠性高。本文選用的磁力計型號為SMAG3，具有廣泛的測量范圍。能夠完全滿足定位系統的需求。無線通信模塊選用的是基于SX1278芯片的低功率433 MHz無線Mesh組網模塊，由標準供電電源DC 5V/0.5A供電。定位終端節點硬件結構如圖3所示。

圖3 定位終端硬件結構框圖

中繼和集中器也使用和定位終端相同的Mesh組網模塊。接收端同樣使用該Mesh組網模塊，并通過USB接口連接上位機PC，接收定位終端、中繼和集中器發出的數據，這些數據經過上位機解算后顯示在界面上。

3.3 系統軟件設計

根據功能的不同，系統軟件設計主要分為定位節點和上位機界面的程序設計。系統軟件設計的開發平臺選用Keil μVision5。終端節點的作用主要是進行數據的采集和傳輸。設備上電后，首先采集陀螺儀、加速度計和磁力計的原始數據，并對采集的傳感器數據進行預處理，再通過數據融合、濾波等方法解算節點的姿態信息，得到目標節點的航向，最后通過航位推算得到節點當前的位置信息，最終實現定位節點位置信息的確定。位置信息推算流程如圖4所示。解算出來的信息由通信模塊發送。

圖4 位置信息確定流程圖

本系統采用Mesh網絡的輕量動態多徑路由協議，該路由協議可以最大限度減小路由建立和維護過程的開銷，能夠在多條路徑并行進行數據傳輸。將上位機接收端的模塊設置為Master模式，而其他模塊為Slave模式，網絡拓撲結構為星形網。上位機通過輪詢的方式與定位節點之間進行無線傳輸。發送的數據格式包括6個8位數據，從高位到低位依次是：x軸數據、y軸數據、z軸數據、高度、航向和姿態，最后是校驗位。具體方法為：上位機依次向定位終端發送指令，接收到指令的定位終端便向上位機返回解算的數據，其他終端處于等待狀態。如果定位終端無法發送數據給上位機，就先發送給中繼器或集中器，由中繼器轉發給上位機。

將每個無線中繼器和集中器節點的通信模塊配置成自組網模式，中繼器接收到上位機或定位終端發送的數據后再次轉發，利用模塊的自動路由功能就能實現中繼功能。在密閉空間或距離較遠的情況下，上位機和定位終端無法直接通信，中繼器位于兩者的通信范圍之內，就可以完成節點與上位機間信息的相互傳輸。

上位機界面的創建利用專業的三維實體模型軟件Unity 3D，模型可以快速地創建、修改、導出和渲染。首先收集整理建筑物的設計圖紙、照片等，利用PS等軟件處理，以滿足建模要求，再利用Unity 3D進行模型創建并優化，提高逼真度，達到建筑物真實的效果。上位機界面也會依靠無線Mesh模塊向外發送指令，當接收到定位終端返回的數據后，界面將數據解算成圖上的軌跡，這樣就顯示了定位人員走過的路線和當前的位置，而界面上的窗口還可以直接顯示其坐標，外部人員就可以得知定位人員的位置姿態等信息了。上位機軌跡圖如圖5所示。

圖5 上位機軌跡圖

4 系統性能驗證

系統搭建完成后，對定位系統性能進行實際測試。系統性能測試的地點在教學樓內，選取初始位置的坐標為(0,0,0)，定位人員在腰部佩戴定位終端，上位機將獲取人員行走的軌跡和位置。

本次實驗測得1跳通信延遲約為90 ms，2跳通信延遲約為196 ms，從而能夠滿足人員的實時定位。定位人員在教學樓內隨意行走約2 min后回到初始位置，得到坐標數據(x,y,z)。相對誤差為:

平均誤差為：

采集10組坐標數據并計算相對誤差，如表1所示。

表1 定位系統坐標統計

次數初始坐標結果相對誤差12345678910(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0．6，0．4，0．1)(0．5，0．4，0)(0．2，0．6，0．2)(0．8，0．5，0．2)(0．5，0．5，0．1)(0．1，0．8，0)(0．5，0．6，0．1)(0．7，0．5，0．3)(0．3，1．0，0．2)(0．6，0．4，0．1)0．230．640．660．960．710．80．790．911．060．73

表2 無線Mesh網絡帶寬

測試項距離/m帶寬/Mbit·s-1延時/s點對點點對點點對點2跳通信3跳通信4跳通信10020030060090012001．11．01．01．01．21．10．380．640．981．962．743．71

通過測試實驗，可以看出基于Mesh的無線自組網技術能夠較好地運用到室內定位系統中。該定位系統能夠實時準確地獲取各個區域內人員的位置姿態等信息，及時地傳輸到上位機界面上，外部的人員可以準確掌握室內人員的位置和運動軌跡。如果發生危險，也方便救援人員能夠及時到達事發地點進行搶險。同時，在一般的生產中也方便管理人員進行調度和分配，提高生產與管理效率。

5 結束語

本文對當今存在的多種無線傳感自組網技術進行了分析，通過結合無線Mesh網絡的優點，研究并運用了一種基于無線Mesh網絡與慣性傳感器的自組網技術，設計了完整的星型多路徑人員定位系統。通過理論分析和實驗得到的數據可知：該系統實現了室內人員定位系統的基本功能，能夠在上位機界面上實時顯示室內人員的位置和姿態等信息，可以靈活改變定位網絡的結構和區域。與傳統室內定位系統相比，在組網的操作性、成本、穩定性等方面具有較大的優勢。未來還可以實現多種通信方式混合組網，實現高精度“全覆蓋”的定位網絡。

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劉宇(1972―)，男，教授，碩士生導師,主要研究方向：固態振動陀螺和光電傳感技術；

劉多納(1992―)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線傳感器網絡；

楊曉輝(1994―)，男，碩士研究生，主要研究方向：傳感器件與系統；

楊磊(1992―)，男，碩士研究生，主要研究方向：傳感器件。