無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在魚雷罐車的應(yīng)用研究

　　1 RFID 與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)及融合

　　1.1 RFID 技術(shù)簡介

　　RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[1],識別工作無須人工干預(yù),作為條形碼的無線版本,RFID技術(shù)具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如[6]等優(yōu)點(diǎn)。而且,RFID技術(shù)還支持識別高速運(yùn)動物體及同時(shí)識別多個(gè)射頻標(biāo)簽[2]。具體來說,RFID標(biāo)簽其實(shí)是一顆IC芯片安裝上微型天線的組合,在IC芯片中寫入的數(shù)據(jù),讀寫器通過無線電波接收信號,然后再通過讀寫器的處理器進(jìn)行解碼,這樣就實(shí)現(xiàn)了射頻識別。

　　1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[3-4](Wireless Sensor Network, WSN)是一種綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等多領(lǐng)域的綜合技術(shù),由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感節(jié)點(diǎn)組成,通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息,并發(fā)送給觀察者。

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)易于部署,不需要事先確定或精心設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的位置,甚至可以任意放置,部署維護(hù)成本較低,靈活性很高。由于節(jié)點(diǎn)廉價(jià),為了獲得較高的觀察精度,可在網(wǎng)絡(luò)作用范圍內(nèi)布置大量的節(jié)點(diǎn)。有時(shí)為了防止部分節(jié)點(diǎn)失效而影響整個(gè)系統(tǒng)的功能,可布置大量的冗余節(jié)點(diǎn)。因此,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般具有較好的健壯性。

　　1.3 RFID 與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)融合

　　由于傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不關(guān)心節(jié)點(diǎn)的位置,對節(jié)點(diǎn)一般不采用全局標(biāo)識,RFID 技術(shù)對節(jié)點(diǎn)的標(biāo)示有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢,將兩者結(jié)合共同組成網(wǎng)絡(luò)可以相互彌補(bǔ)對方的缺陷。另一方面,RFID標(biāo)簽的有效作用距離較近,將有效監(jiān)測半徑為 100m的Zigbee的WSN和RFID結(jié)合起來形成WSID網(wǎng)絡(luò),在跟蹤、定位方面有諸多優(yōu)勢。這樣,既可以將網(wǎng)絡(luò)的主要精力集中到數(shù)據(jù)上,當(dāng)需要考慮到某個(gè)具體節(jié)點(diǎn)信息的時(shí)候,又可以利用RFID的標(biāo)識功能輕松地找到節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。

　　2 RSSI定位技術(shù)及其算法

　　2.1 RSSI技術(shù)

　　RSSI(Received Signal Strength Indicator)是一種基于無線信號處理的測距定位技術(shù)[1],它通過信號在傳播中的衰減來估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的距離。RSSI的定位方法的基本原理是已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度,根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)收到的信號強(qiáng)度計(jì)算出信號的傳播損耗,并利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離,從而通過計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)的位置。

　　2.2 三 [6]是TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的混合信號控制器,可使用電池長期運(yùn)行,并可以在低于6微秒的時(shí)間內(nèi)從低功耗模式迅速喚醒。結(jié)合TI地高性能模擬技術(shù),MSP430系列單片機(jī)集成了較豐富的功能模塊:WDT,模擬比較器,串口0/1,硬件乘法器,液晶驅(qū)動器,ADC,12位DAC,DMA,P1-P6端口,基本定時(shí)器等。這些使得MSP430單片機(jī)非常適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

　　3.2 射頻收發(fā)器CC2430

　　CC2430芯片[7]是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee協(xié)議的解決方案,它延用了CC2420芯片的架構(gòu),在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。CC2430擁有1個(gè)8位8051MCU、8KB的RAM、最大可達(dá)128KB的Flash,還包含有AD轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、AES128協(xié)處理器、看門狗、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路及21個(gè)可編程I/O引腳。

　　CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn),工作時(shí)的電流損耗為27mA,在接收和發(fā)射模式下的電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時(shí)間特性使得它特別適合在本應(yīng)用場合下運(yùn)行。

　　3.3 移動節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　安裝在魚雷罐車上的節(jié)點(diǎn)簡稱為移動節(jié)點(diǎn)。移動節(jié)點(diǎn)由無線傳輸模塊、微控制模塊、RFID模塊及電源模塊組成,如圖2。

　　無線傳輸模塊完成射頻信號(簡稱RF)的發(fā)送和接收;微控制模塊主要操作無線收發(fā)芯片,對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對節(jié)點(diǎn)電源進(jìn)行管理,合理地設(shè)置待機(jī)狀態(tài),以節(jié)省能量消耗,延長節(jié)點(diǎn)使用壽命;RFID模塊主要是接受參考節(jié)點(diǎn)中閱讀器的讀取,為罐號提供標(biāo)識。

　　圖1中,微控制器模塊還通過檢測無線傳輸模塊接受信號的大小、通過和參考節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合計(jì)算獲取魚雷罐車的當(dāng)前位置,將通過無線傳感模塊的通訊實(shí)現(xiàn)計(jì)算數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。

　　3.4 參考節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　參考節(jié)點(diǎn)安裝在地面固定位置,基本的參考節(jié)點(diǎn)由無線傳輸模塊、微控制模塊、閱讀器和電源組成,如圖3。

　　圖3中,由于參考節(jié)點(diǎn)設(shè)置在地面,不像移動節(jié)點(diǎn)需要控制電源的使用并且位置固定,可以充當(dāng)定位時(shí)的參考(信標(biāo))節(jié)點(diǎn),按照信號傳輸及距離測試要求,需要布置3-4個(gè)這種參考節(jié)點(diǎn)(含備用節(jié)點(diǎn)),其中一個(gè)為主參考節(jié)點(diǎn),其他為輔助參考節(jié)點(diǎn),輔助參考節(jié)點(diǎn)不需要安裝閱讀器模塊;主參考節(jié)點(diǎn)的微控制器通過閱讀器讀取移動節(jié)點(diǎn)的射頻標(biāo)識(罐號),喚醒輔助參考節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)的微控制器工作,進(jìn)入到距離測試、計(jì)算的定位狀態(tài);魚雷罐車到達(dá)停車位置的距離通過大屏幕LED顯示提示機(jī)車司機(jī),通過聯(lián)合計(jì)算、測取的距離及閱讀器獲取的魚雷罐車罐號將由微控制器通過有線通訊轉(zhuǎn)發(fā)到煉鐵廠的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。

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　　3.5邊測量法

　　假設(shè)3個(gè)參考點(diǎn)的坐標(biāo)分別為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)ai(xi,yi), aj(xj,yj), ak(xk,yk),待確定位置的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為o( x , y),該節(jié)點(diǎn)到各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離分別是di, dj, dk,根據(jù)二維空間距離計(jì)算公式, 可以獲得一個(gè)非線性方程組,如式(1): 

　　采用線性化方法來求解, 可以得到待定位置節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)公式,如式(2):

　　2.3 質(zhì)心及其計(jì)算公式

　　質(zhì)心是指多邊形的幾何中心,是多邊形頂點(diǎn)坐標(biāo)的平均值。由a1(x1,y1),a2(x2,y2),…,ak(xk,yk)這k個(gè)點(diǎn)組成的多邊形的質(zhì)心o(x,y)計(jì)算公式,如式(3):

　　2.4 定位算法過程 

　　1) 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送自身信息: 節(jié)點(diǎn)ID、自身位置信息;

　　2) 普通節(jié)點(diǎn)在收到信息后, 只記錄同一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI均值;

　　3) 普通節(jié)點(diǎn)在收到超過閾值n個(gè)信標(biāo)信息后, 對信標(biāo)節(jié)點(diǎn)依其RSSI值從大到小排序, 并建立RSSI值與節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離的映射,建立3個(gè)集合。

　　信標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合:Beacon_set{a1,a2,…,an};

　　未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離集合:

　　Distance_set={d1,d2,…,dn},d1 

　　信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置集合:Position_set{(x1,y1,),(x2,y2),…,(xn,yn)} 

　　4) 采用RSSI值大的前幾個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自身定位計(jì)算:

　　節(jié)點(diǎn)到信號源的距離越近,由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差越小。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對未知節(jié)點(diǎn)位置都有影響力,RSSI越大的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)影響力越大,對節(jié)點(diǎn)位置有更大的決定權(quán)[5]。所以在Beacon_set中優(yōu)先選擇RSSI值大的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合成三角形集合, 這是提高定位精度的關(guān)鍵。起三角形集合為:

　　Triangle_set={(a1,a2,a3), (a1,a2,a4),…, (a1,a3,a4),…}

　　對Triangle_set中任一個(gè)三角形(ai,aj,ak) , 采用三邊測量法的計(jì)算方法,先用式(2)求出由信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(ai,aj,ak)確定的未知節(jié)點(diǎn)(ai',aj',ak'),再用式(3)對(ai',aj',ak')進(jìn)行質(zhì)心運(yùn)算,得到oi(xi,yi);對Triangle_set 中的每個(gè)三角形重復(fù)上述計(jì)算,可以得到未知節(jié)點(diǎn)近似位置坐標(biāo)集{o1,o2,…,om};

　　對近似位置坐標(biāo)集{o1,o2,…,om}再次求質(zhì)心o(x,y),并將結(jié)果與魚雷罐車須停車的指定位置想比較,如果在允許的誤差范圍內(nèi),則發(fā)出停車命令。否則,繼續(xù)執(zhí)行上述定位算法過程。

　　2.5 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

　　利用NS2工具,結(jié)合C 編程,對質(zhì)心算法進(jìn)行了仿真,并對三角測量與質(zhì)心相結(jié)合的算法進(jìn)行了仿真。傳感器區(qū)域?yàn)?00m*100m,信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位于受鐵線附近,未知節(jié)點(diǎn)(魚雷罐車位于受鐵線上)。

　　由圖1可知,當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為22時(shí),三角測量與質(zhì)心算法相結(jié)合的效果最明顯,根據(jù)實(shí)際情況,可大大減少平均誤差。

　　3 功能設(shè)計(jì)及原理

　　3.1 MSP430單片機(jī)

　　MSP430單片機(jī) 

 　　冗余定位的設(shè)計(jì)

　　為保證魚雷罐車進(jìn)入煉鐵廠出鐵場擺動溜槽下部的受鐵位置的準(zhǔn)確性和可靠性,需要設(shè)置冗余定位系統(tǒng)。在魚雷罐車的車頭、車中、車尾位置安裝3個(gè)讀取距離為100mm的RFID標(biāo)識,并將主參考節(jié)點(diǎn)安裝在停車位置;當(dāng)魚雷罐車經(jīng)過主參考節(jié)點(diǎn)的閱讀器時(shí),隨魚雷罐車的運(yùn)行方向,閱讀器也將依次讀取到魚雷罐車上的這個(gè)標(biāo)識,實(shí)現(xiàn)了魚雷罐車的精確定位,同時(shí)也為前述的定位系統(tǒng)提供距離計(jì)算、校正的依據(jù)。 

　　4 結(jié)束語

　　基于RSSI的定位技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一,將RSSI測量方法與三角形質(zhì)心算法相結(jié)合可有效的減小RSSI的測量誤差。綜合利用無線傳感技術(shù)與RFID技術(shù),實(shí)現(xiàn)魚雷罐車的罐號識別和冗余定位,可以有效地解決現(xiàn)場需要處理的問題,也是一種應(yīng)用新技術(shù)的有益嘗試;作為一種在現(xiàn)場運(yùn)行的解決方案,我們還有大量工作要做。