基于Zig Bee定位的铁鞋监测系统

2012-12-07郑云水常树贤成利刚

传感器与微系统 2012年10期

郑云水，常树贤，成利刚

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州730070)

0 引言

防溜铁鞋是铁路运输部门防止停留车辆溜逸而设置在钢轨与车轮间的固定装置。《铁路技术管理规程》(2006年10月版)第242条明确规定:线路上停留车辆，在不作业时，应以铁鞋等防溜装置牢靠固定［1］。随着铁路六次提速和生产力布局的调整，站段的管辖区域比以前大大拓宽，作业面分散、点多线长，铁鞋作业量巨大。当前的作业办法主要依靠操作人员的互控、频繁的现场察看来确保铁鞋状态完好，这种办法主观因素较多，作业随意性大，实际作业流程与作业标准相差甚远，安全隐患随处可见，因铁鞋装或卸的误操作导致的车辆溜逸、铁鞋被盗、脱轨掉道等事故时常发生。如何有效地管理和使用好铁鞋是一个安全问题。

中南大学的宋立志、张丹婷在《基于无线通信的智能防溜铁鞋系统设计》中介绍了基于无线通信的全自动智能防溜铁鞋系统，通过信号台与主控监测装置的串口连接，主控监测装置与工作人员中介通信模块的无线通信连接，中介通信模块与铁鞋信号模块的无线通信连接，铁鞋信号模块与主控监测装置的无线通信连接等一系列的循环连接实现全自动远程控制功能，利用无线收发芯片nRF401作为无线收发控制电路的核心，再通过压力传感器的灵敏感知和铁鞋自锁实现安全操作的目的［2］。虽然此系统解决了当前铁鞋存在的不足，但不知道无线传感器节点(铁鞋)的位置而感知的数据是无意义的。因此，本文采用当前应用广泛的Zig Bee技术在无线传感器网络定位的优势［3，4］，设计一种新型的基于Zig Bee定位技术的铁鞋监测系统。

1 系统框架

在本设计中，为了达到对铁鞋的位置和状态实行实时的监控，系统具备数据采集、远程通信与控制、存储管理等功能。主要结构划分为室外定位监测系统和中心机房监控管理系统，如图1所示。

图1 铁鞋定位监控系统的框架Fig 1 Framework of iron shoes positioning monitoring system

1.1 室外定位监测系统

定位监测系统的网络由协调器、定位参考节点和移动节点组成。本设计采用CC2430/CC2431单片机作为无线通信定位主控芯片。

协调器和定位参考节点采用相同的硬件设备，由电源管理模块和Zig Bee无线通信模块组成。Zig Bee无线通信模块采用TI公司的Zig Bee SOC射频芯片CC2430，其高性能8051内核和2.4GHz无线模块可以方便地从软件和硬件上实现Zig Bee协议。协调器是无线传感网络的核心，协调器建立和维护整个网络，并与控制台通过线缆相连实现现场和室内的通信。

移动终端是安装在铁鞋上，Zig Bee无线通信、定位及信息处理采用TI公司的Zig Bee SOC射频芯片CC2431。CC2431内置硬件定位引擎实现自定位，自动将计算得到的位置坐标和铁鞋身上的位移传感器采集的信息通过Zig Bee网络进行上传。

1.2 机房监控管理系统

室内监控管理系统是为铁鞋管理人员提供一个良好的管理平台，系统的主要功能包括对铁鞋操作人员的管理和铁鞋的管理。对于铁鞋工作人员进行管理，设置其权限，使责任到人，可获知操作人员的具体操作，主要对工作人员领鞋、放鞋、取鞋、还鞋进行管理;铁鞋的管理有铁鞋编号、铁鞋的报警以及铁鞋在现场位置的实时显示，并且对报警铁鞋信息进行查询和处理，以及对铁鞋的历史数据进行查询。

2 定位算法

传感网络定位通常是根据网络中设置的有限个已知位置的节点，通过这些节点的位置和与其他节点的交互信息，采用不同的方法对无线传感网络中的未知节点进行定位。基于测距定位方法的实现通常包括测距和节点定位2个过程［5］。为了提高定位的精度，本文采用基于接收信号强度指示(RSSI)的距离修正算法［6］，利用最小二乘法对精度进行修正，采用三边测距法估计出盲节点的位置。

2.1 RSSI测距的实现原理

基于RSSI的测距技术是利用无线电信号随距离增大而有规律地衰减的原理来测量节点间的距离的。接收信号强度RSSI与传输距离d的关系如下所示

式中 n为信号传播常数，也叫传播系数;d为与发送者的距离;A为距发送者1m时的信号强度。测距精度的高低受到n与A实际取值大小的影响较大。A是一个经验参数，可以通过测量距离发送者1m处的RSSI值得到。n是用来描述信号强度随距离增加而递减的参量，n的大小依赖具体的环境。为了得到最优的n值，可以先放置好所有的参考节点，然后尝试用不同的n_index值找到最适合这个具体环境的n值。

2.2 最小二乘法修正距离

从式(1)可以看出:如果知道参考节点与盲节点之间的RSSI值，则可以估算出2个节点之间的距离。然而不同的环境下可能存在不同的信号干扰，采用节点之间的RSSI值估算距离必然存在一定的误差。这时可以根据特定的环境对测量到的距离采用传统的最小二乘法进行修正。得到修正后的距离，从而可以更加精确地估算出盲节点的坐标。具体步骤如下:

1)根据实际情况布置好节点，参考节点(Mi，Ni)与盲节点(Mj，Nj)的位置坐标均已知。可以根据 xi=得到实际节点之间的距离。

2)根据式(1)估算出盲节点与各个参考节点之间的距离yi。

3)采用最小二乘法拟合实际距离xi与估计距离yi的关系。假设两者之间的关系为yi=axi+b，为了使所有数据偏差的平方和尺可能小，假设可以把R2看作自变量a和b的二元函数，要使得R2最小，分别对自变量求导，令其等于0

于是，变量a和b可以通过式(2)与式(3)求出

根据得到的a与b的值可以拟合出修正距离与估计距离的关系Y修=a×X估+b，结合式(1)可以得到

4)布置盲节点，通过式(1)估计盲节点与参考节点之间的距离x，通过第3步拟合好的修正距离与估计距离之间的关系修正估计距离，得到修正的距离Y修。

2.3 盲节点坐标估计

选择3个接收信号强度最强的参考节点，采用三边测量法估计出盲节点坐标。假设3个参考节点A，B，C的坐标分别为(ma，na)，(mb，nb)，(mc，nc)，盲节点 E 的坐标(m，n)未知。通过2.2节中4个步骤得到盲节点与3个参考节点的修正距离分别为da，db，dc，则根据两点之间的距离公式可以得到式

展开并化简，可得到盲节点E的坐标(m，n)，如式(6)所示

3 软件设计

在铁鞋定位监测系统中，计算机网络的信息管理与监控软件运行在Windows 2000等操作系统下，采用Visual C++6.0开发工具，并结合控件程序开发代码进行串行通信程序的编写，同时，将上传到地面监控数据信息存储在SQL server 2005数据库中。图2所示为下位机和上位机的软件设计流程图。

图2 系统软件设计流程图Fig 2 Flow chart of system software design

4 铁鞋位置信息实验验证

为了验证修改后能满足铁鞋定位的需求，对数据进行采集，并把估计位置与实际位置进行比对，对估计位置和误差进行分析和比较。

在楼顶上选择一块40 m×40 m的开阔环境，布置8个参考节点，坐标分别为(0，0 m)，(0，20 m)，(0，40 m)，(20，0 m)，(20，40 m)，(40，0 m)，(40，20 m)，(40，40 m)，每个节点的实际发射功率与硬件制作、电池电量等因素有关，所以，定位参数A与n值要经过各参考节点附近测量后再经过平均方差计算得到。本实验中A=41，n=2.3，结果如表1。从测试结果可以看出:定位误差小于0.5 m，开阔环境下的定位精度误差比较小，能够满足现场的需求。