基于OPM技术的智能无线组网定位系统

陈云 李瑞东 华容

【摘要】 介绍了一种基于OPM（适机认知无线网络）核心技术的智能无线组网定位系统。利用新颖的OPM技术实现技术创新，结合RSSI动态修正定位算法，设计本定位系统的硬件和软件，弥补GPS定位无法在室内使用，移动通信基站定位精度不高造成的定位技术空缺。实现一个安装快捷，无需拉线，快速组网的实时定位定位系统，适用于多种定位应用场景。

【关键词】 OPM技术 RSSI 实时定位 快速组网

一、引言

室内及特殊场合的定位和传感器通信问题一直困扰着许多工作现场的人员。说到定位解决方案，大家马上会联想到GPS 定位，或基于GPS 的各种定位品；更专业一些的人士可能会想到使用通信基站（CellID）定位，但在一些室内及特殊场合，如矿井下、地下管道、特殊的建筑物内等，GPS 和CellID 将失去它的定位能力，因为在那些地方根本就没有信号。本文谈论的方案将解决特殊场合定位及传感通信的问题，其特点是能为现场人员管理和事故搜救提供便捷、稳定、实时的位置服务，比较适合于没有GPS信号的矿井井下、办公楼宇、城市地下管道等

二、系统涉及的主要技术及算法

智能定位系统中的关键技术本设计是基于OPM（Opportunistic Mesh Networks）技术而开展的，所以我们将采用OPM15芯片作为本设计的无线通信芯片，其内置获取接收的信号强度指示值RSSI（Received Signal Strength Indication）功能的命令。其主要特点是：工作频率2.4GHZ；数据吞吐量可达100kbps；60Mw的工作频率，休眠功率为4μW，功耗极低；支持从-18dBm到5dBm的射频输出功率控制功能；支持动态网络协议栈；具有实时无线多条通信方式，传输距离远，功耗低，抗干扰能力高。且与802和TCP/IP协议标准兼容。

2.1 OPM技术

OPM技术是基于机会认知机制的智能无线网络（Opportunistic Mesh） [1]，OPM網络的每个节点自动机会地使用网络资源：包括无线频谱资源和无线站点。OPM技术通过网络资源的机会动态使用，在组网上无需一个固定的拓扑结构和频率分配，就可以实现大规模组网。例如：在无线多跳传输的过程中，每个数据包都使用动态产生的路径，而每跳所使用的频率亦动态产生。网络节点在传输每一个数据包的同时亦在检测下一个数据包传输可以使用的最佳路径和无线频带。如果当下的物理信道被干扰，网络节点会在毫秒级的时间切换的另一个可用信道。这样网络资源的利用可以达到其瞬间最大值。

通过建立新的跨层协议栈设计，在技术上OPM对传统无线网络的改造，从而大大地提高了网络扩展性和抗干扰性。网络带宽在经过多个节点后（多跳）保持稳定。由于OPM的可以动态建立无线网络，不需要固定的网络路由路径，拓扑结构，和无线链路频道分配，大大简化了布网工作量，并具有极强的抗干扰性。采用OPM技术可以很好的实现快速布网，即设即用，而且有比WiFi和Zigbee更强的抗干扰性。

2.2 定位算法

这里描述2个位置估计定位算法。对于任何的特定节点，最好只处理3个最强的固定节点RSSI记录。

2.2.1 加权总算法

对于系统中的移动节点，它离一个固定节点越近，在固定节点和移动及节点之间将会产生更强的RSSI，加权算法利用RSSI的值和固定节点的坐标能找到移动节点的相对位置。

对于一个全向天线，它的接收功率与距离有以下关系：

‘d是移动节点和固定节点的距离，‘n是房间里的渐消因子，RSSI在线性范围内，利用这种关系，我们能得到移动节点和不同固定节点之间的相对位置。

然后这个算法将使用这个加权系数的关系去算出移动节点的位置，如下公式：

该算法可以通过渐消因子‘n进一步校准，它能适应环境的变化和复杂的几何形状。在很多的应用中，包括在该智能定位系统中，最好只使用3个有最强的RSSI的固定节点。

这个算法的说明如图1所示。

2.2.2 绝对距离算法

当已知渐消因子和一个参考RSSI，可以计算出移动节点和固定节点的相对距离。使用一个A的RSSI和渐消因子‘n，我们能得到如下的等式：

根据2个固定节点的位置，和移动节点到他们的距离，我们能找到满足距离的2个点，如下图所示：

根据上图，对于两个固定节点P1（x1，y1），、P2（x2，y2）和已知的距离dS1_M和dS2_M，可以确定两个移动节点可能的位置：移动节点可能位置 1和移动节点可能位置 2。通过使用绝对距离算法，拓扑应该保证任何点的3个最近的的固定节点都包括这个点。

现在只要在数据库中找出3个RSSI信号最强的就可以计算距离了，RSSI越强则计算越准确。对于每两个固定节点的选择，可能会计算出2个移动节点出现的地方。因此由于三条固定节点能确定三个点，形成一个最小的三角形，最后三个点的平均数被选择作为移动节点的位置点。

三、系统结构

系统采用自组织无线传感器网络，可以动态快速的自组织网络，无需固定路由拓扑结构、路径分配，自动实现无线链路分配，可实现多跳路径，避开故障节点，实现信息传输的可靠性和实时性，可以用于对网络覆盖范围的人员定位监控。系统结构如图3所示。

本无线定位子系统主要由定位基站（也即路由器）和点位卡两部分组成；无线定位网络由系统中数个固定基站自主通过无线方式形成；基站实现超低功耗工作，可通过电池供电长时间工作，各个基站之间可通过无线连接，便于布置网络，每个基站作为传感器终端还具有中继功能，可实时传送定位信息及其它传感信息到管理子系统的监控平台：进入定位网络覆盖区域的人员，其位置信息快速被附近的基站所捕获，并通过网络将位置信息实时发送给监控中心[2]；监控平台也可通过定位网络将声光、语音、数据等警报信号通过定位网络实时发送给带有手持终端设备的工作人员，从而实现定位以及数据传输。

3.1控制芯片

本设计将采用 dsPIC30F3013高性能16位数字信号控制器作为主控芯片。之所以采用一款PIC系列的单片机，是因为PIC系列单片机采用流水线结构，单字节指令体系，嵌入闪存以及10位A/D转换器；并且采用了采用哈佛总线结构，在芯片内部，数据总线和指令总线分离，容许采用不同的字节宽度；内部的CMOS结构，也使其功效消耗极低，是目前世界上最低功耗的单片机品种之一[3]；同时，PIC系列单片机I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动高达20-25mA的负载。

3.2系统组成

定位基站：将由dsPIC30F3013高性能16位数字信号控制器控制。以OPM15芯片作为无线通信芯片。可以由无线自组织网络的形式来组织，是即设即用的无线定位站点，也是该系统的核心，能与定位卡与上位机软件实时交互信息，可以自由设定基站位置，来组成无线定位系统。

定位卡：将以OPM15芯片作为无线通信芯片。可以由无线自组织网络的形式来组织，由其与定位基站间的信息交互来实现位置信息的确定。

上位机软件：也是用户的使用界面，将采用C#语言编写，能够与基站与定位卡通信，获取，控制定位卡与基站信息。并且会设置一些预设端口，方便功能增设。

电脑端服务软件设置（如图4）

1. 设置地图大小，在 Address 栏添加所有 Server 端、基站端地址，根据

Server 端和基站在实际场景内的位置，在地图上拖放基站图标

2. 设置 COM 口、Update Coefficient*、Server Address，按 RUN 按钮启 动定位系统，移动端的位置将以红点的形式在地图上实时显示

[对人员走动测试，建议 update coefficient 调制在 0.2，对于 高速移动，建议更新速率调到 0.4]

四、总结

OPM 技术由于自适应组网，灵活方便，抗干扰能力强，并能实现室内无线定位，同时具备数据中继功能，可以与通信行业现有基建设备实现无缝对接，并可作为物联网及宽带互联網的一个技术平台实现诸如：物联传感网络、定位网络、车联网、无线宽带接入、应急网络等各种应用。OPM 技术提供无线网络最优的带宽覆盖成本，可以大大增强网络的动态可持续扩充性，提供高效的布网和运营模式，和支持实时可靠的高品质无线通信，以及降低网络复杂度和功耗，使其成为各种物联网行业应用的最佳组网和室内定位方案。

参考文献

[1] OMESH Networks.OPM15 Software API Guide [OB/L].http：//www.omeshnet.com/omesh， Oct 10， 2011.

[2]乔晓娇.基于OPM15技术的矿井无线监控系统的设计[D].浙江工业大学：通信与信息系统，2012

[3] dsPIC30F2011/2012/3012/3013 Data Sheet（11/02/2010）

[OB/L]http：//ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70139G.pd

基金项目：由国家大学生创新创业训练计划支持。项目编号201310347011

参 考 文 献

[1] OMESH Networks.OPM15 Software API Guide [OB/L].http：//www.omeshnet.com/omesh， Oct 10， 2011.

[2]乔晓娇.基于OPM15技术的矿井无线监控系统的设计[D].浙江工业大学：通信与信息系统，2012

[3] dsPIC30F2011/2012/3012/3013 Data Sheet（11/02/2010）[OB/L]http：//ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70139G.pd