无线传感器网络在鱼雷罐车的应用研究

　　1 RFID 与无线传感器网络的技术及融合

　　1.1 RFID 技术简介

　　RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据[1],识别工作无须人工干预,作为条形码的无线版本,RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如[6]等优点。而且,RFID技术还支持识别高速运动物体及同时识别多个射频标签[2]。具体来说,RFID标签其实是一颗IC芯片安装上微型天线的组合,在IC芯片中写入的数据,读写器通过无线电波接收信号,然后再通过读写器的处理器进行解码,这样就实现了射频识别。

　　1.2 无线传感器网络技术简介

　　无线传感器网络[3-4](Wireless Sensor Network, WSN)是一种综合了传感器、嵌入式计算机、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域的综合技术,由部署在监测区域内大量的廉价微型传感节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。

　　在无线传感器网络中,节点易于部署,不需要事先确定或精心设计节点的位置,甚至可以任意放置,部署维护成本较低,灵活性很高。由于节点廉价,为了获得较高的观察精度,可在网络作用范围内布置大量的节点。有时为了防止部分节点失效而影响整个系统的功能,可布置大量的冗余节点。因此,无线传感器网络一般具有较好的健壮性。

　　1.3 RFID 与无线传感器网络的技术融合

　　由于传感器网络一般不关心节点的位置,对节点一般不采用全局标识,RFID 技术对节点的标示有着得天独厚的优势,将两者结合共同组成网络可以相互弥补对方的缺陷。另一方面,RFID标签的有效作用距离较近,将有效监测半径为 100m的Zigbee的WSN和RFID结合起来形成WSID网络,在跟踪、定位方面有诸多优势。这样,既可以将网络的主要精力集中到数据上,当需要考虑到某个具体节点信息的时候,又可以利用RFID的标识功能轻松地找到节点的相关信息。

　　2 RSSI定位技术及其算法

　　2.1 RSSI技术

　　RSSI(Received Signal Strength Indicator)是一种基于无线信号处理的测距定位技术[1],它通过信号在传播中的衰减来估计节点间的距离。RSSI的定位方法的基本原理是已知发射节点的发射信号强度,根据接收节点收到的信号强度计算出信号的传播损耗,并利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离,从而通过计算得到节点的位置。

　　2.2 三 [6]是TI公司生产的一种超低功耗的混合信号控制器,可使用电池长期运行,并可以在低于6微秒的时间内从低功耗模式迅速唤醒。结合TI地高性能模拟技术,MSP430系列单片机集成了较丰富的功能模块:WDT,模拟比较器,串口0/1,硬件乘法器,液晶驱动器,ADC,12位DAC,DMA,P1-P6端口,基本定时器等。这些使得MSP430单片机非常适合在无线传感器网络中应用。

　　3.2 射频收发器CC2430

　　CC2430芯片[7]是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee协议的解决方案,它延用了CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。CC2430拥有1个8位8051MCU、8KB的RAM、最大可达128KB的Flash,还包含有AD转换器、定时器、AES128协处理器、看门狗、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路及21个可编程I/O引脚。

　　CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27mA,在接收和发射模式下的电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性使得它特别适合在本应用场合下运行。

　　3.3 移动节点设计

　　安装在鱼雷罐车上的节点简称为移动节点。移动节点由无线传输模块、微控制模块、RFID模块及电源模块组成,如图2。

　　无线传输模块完成射频信号(简称RF)的发送和接收;微控制模块主要操作无线收发芯片,对数据进行处理,对节点电源进行管理,合理地设置待机状态,以节省能量消耗,延长节点使用寿命;RFID模块主要是接受参考节点中阅读器的读取,为罐号提供标识。

　　图1中,微控制器模块还通过检测无线传输模块接受信号的大小、通过和参考节点的联合计算获取鱼雷罐车的当前位置,将通过无线传感模块的通讯实现计算数据的发送和接受。

　　3.4 参考节点设计

　　参考节点安装在地面固定位置,基本的参考节点由无线传输模块、微控制模块、阅读器和电源组成,如图3。

　　图3中,由于参考节点设置在地面,不像移动节点需要控制电源的使用并且位置固定,可以充当定位时的参考(信标)节点,按照信号传输及距离测试要求,需要布置3-4个这种参考节点(含备用节点),其中一个为主参考节点,其他为辅助参考节点,辅助参考节点不需要安装阅读器模块;主参考节点的微控制器通过阅读器读取移动节点的射频标识(罐号),唤醒辅助参考节点和移动节点的微控制器工作,进入到距离测试、计算的定位状态;鱼雷罐车到达停车位置的距离通过大屏幕LED显示提示机车司机,通过联合计算、测取的距离及阅读器获取的鱼雷罐车罐号将由微控制器通过有线通讯转发到炼铁厂的生产过程控制系统。

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　　3.5边测量法

　　假设3个参考点的坐标分别为信标节点ai(xi,yi), aj(xj,yj), ak(xk,yk),待确定位置的节点坐标为o( x , y),该节点到各个参考节点的距离分别是di, dj, dk,根据二维空间距离计算公式, 可以获得一个非线性方程组,如式(1): 

　　采用线性化方法来求解, 可以得到待定位置节点的坐标公式,如式(2):

　　2.3 质心及其计算公式

　　质心是指多边形的几何中心,是多边形顶点坐标的平均值。由a1(x1,y1),a2(x2,y2),…,ak(xk,yk)这k个点组成的多边形的质心o(x,y)计算公式,如式(3):

　　2.4 定位算法过程 

　　1) 信标节点周期性发送自身信息: 节点ID、自身位置信息;

　　2) 普通节点在收到信息后, 只记录同一个信标节点的RSSI均值;

　　3) 普通节点在收到超过阈值n个信标信息后, 对信标节点依其RSSI值从大到小排序, 并建立RSSI值与节点到信标节点距离的映射,建立3个集合。

　　信标节点集合:Beacon_set{a1,a2,…,an};

　　未知节点到信标节点距离集合:

　　Distance_set={d1,d2,…,dn},d1 

　　信标节点位置集合:Position_set{(x1,y1,),(x2,y2),…,(xn,yn)} 

　　4) 采用RSSI值大的前几个信标节点进行自身定位计算:

　　节点到信号源的距离越近,由RSSI值的偏差产生的绝对距离误差越小。信标节点对未知节点位置都有影响力,RSSI越大的信标节点影响力越大,对节点位置有更大的决定权[5]。所以在Beacon_set中优先选择RSSI值大的信标节点组合成三角形集合, 这是提高定位精度的关键。起三角形集合为:

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

　　对Triangle_set中任一个三角形(ai,aj,ak) , 采用三边测量法的计算方法,先用式(2)求出由信标节点(ai,aj,ak)确定的未知节点(ai',aj',ak'),再用式(3)对(ai',aj',ak')进行质心运算,得到oi(xi,yi);对Triangle_set 中的每个三角形重复上述计算,可以得到未知节点近似位置坐标集{o1,o2,…,om};

　　对近似位置坐标集{o1,o2,…,om}再次求质心o(x,y),并将结果与鱼雷罐车须停车的指定位置想比较,如果在允许的误差范围内,则发出停车命令。否则,继续执行上述定位算法过程。

　　2.5 仿真实验及分析

　　利用NS2工具,结合C 编程,对质心算法进行了仿真,并对三角测量与质心相结合的算法进行了仿真。传感器区域为100m*100m,信标节点位于受铁线附近,未知节点(鱼雷罐车位于受铁线上)。

　　由图1可知,当信标节点的数目为22时,三角测量与质心算法相结合的效果最明显,根据实际情况,可大大减少平均误差。

　　3 功能设计及原理

　　3.1 MSP430单片机

　　MSP430单片机 

 　　冗余定位的设计

　　为保证鱼雷罐车进入炼铁厂出铁场摆动溜槽下部的受铁位置的准确性和可靠性,需要设置冗余定位系统。在鱼雷罐车的车头、车中、车尾位置安装3个读取距离为100mm的RFID标识,并将主参考节点安装在停车位置;当鱼雷罐车经过主参考节点的阅读器时,随鱼雷罐车的运行方向,阅读器也将依次读取到鱼雷罐车上的这个标识,实现了鱼雷罐车的精确定位,同时也为前述的定位系统提供距离计算、校正的依据。 

　　4 结束语

　　基于RSSI的定位技术是无线传感网络中的关键技术之一,将RSSI测量方法与三角形质心算法相结合可有效的减小RSSI的测量误差。综合利用无线传感技术与RFID技术,实现鱼雷罐车的罐号识别和冗余定位,可以有效地解决现场需要处理的问题,也是一种应用新技术的有益尝试;作为一种在现场运行的解决方案,我们还有大量工作要做。