吳　宇

(海軍駐上海地區(qū)通信軍事代表室　上海　200333)

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基于MEMS和WSN的室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究*

吳宇

(海軍駐上海地區(qū)通信軍事代表室上海200333)

摘要隨著城市化進程的快速推進,室內(nèi)定位的應(yīng)用前景廣闊,尤其在一些特定場合的實時性和必要性已經(jīng)日趨顯著,其研究意義非常大。通過對現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)的比較,提出了基于MEMS和WSN技術(shù)相融合的應(yīng)急室內(nèi)定位系統(tǒng)方案,從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件實現(xiàn)、軟件算法等方面進行闡述?；贛EMS和WSN技術(shù)相融合的室內(nèi)定位系統(tǒng)不依賴于現(xiàn)有的Wi-Fi系統(tǒng),能夠在突發(fā)事件發(fā)生后快速架設(shè)、硬件通用性好、能夠通過不斷優(yōu)化軟件算法持續(xù)提高系統(tǒng)性能,是未來室內(nèi)應(yīng)急定位的一種有效手段。

關(guān)鍵詞MEMS; WSN; 室內(nèi)定位

Indoor Positioning System Based on MEMS and WSN

WU Yu

(Navy Representative Office of Communications in Shanghai, Shanghai200333)

AbstractWith the rapid progress of urbanization, the indoor positioning technology has a brilliant prospect in application. In particular, the real time and necessity of some particular scenes have become more and more significant. Based on the comparison of existing indoor positioning technology, this paper puts forward the indoor positioning system operation based on MEMS and WSN. This paper elaborates on the system architecture, hardware implementation, and software algorithm and so on. This system which is based on MEMS and WSN doesn’t rely on the Wi-Fi system. This system can set up quickly after the incident, and it can improve the system performance by optimizing the software algorithm. This operation will be an effective method for the indoor positioning technology in the future.

Key WordsMEMS, WSN, indoor positioning

Class NumberTP393

1引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展,城市規(guī)模不斷擴大,高樓大廈林立,給人們帶來了現(xiàn)代生活的便利,同時也提出了新的安全課題:如何針對結(jié)構(gòu)布局復雜樓宇,實現(xiàn)室內(nèi)人員的快速定位,特別是發(fā)生緊急情況時快速找到室內(nèi)的被困人員尤其重要。

針對這些需求室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)運而生,隨著技術(shù)的不斷完善,市場拓展空間越來越大,應(yīng)用范圍也將越來越廣泛,尤其是在復雜環(huán)境下,如圖書館、體育館、地下車庫、貨品倉庫等對人員以及物品的快速定位需求更為迫切。目前常用的室內(nèi)定位技術(shù)主要有以下幾種: 1) 基于超聲波定位技術(shù); 2) 基于紅外線的定位技術(shù); 3) 基于超寬帶的定位技術(shù): 4) 射頻識別定位技術(shù)(WLAN、Zigbee)等。但是上述的室內(nèi)定位系統(tǒng)或多或少存在跟蹤設(shè)備復雜、易受環(huán)境影響、后臺處理能力要求高、設(shè)備通用性差等缺陷,而且這些室內(nèi)定位系統(tǒng)主要是針對固定場所正常情況下的定位與導航,需要提前預(yù)裝,對于臨時應(yīng)急救災(zāi)的應(yīng)用場合就無能為力了,其不能完全適用于室內(nèi)救災(zāi)情況。

因此,本文就針對一些特殊的需求,融合MEMS和WSN技術(shù)設(shè)計出應(yīng)急救災(zāi)的室內(nèi)救災(zāi)定位系統(tǒng)。

2基于MEMS和WSN技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)框架設(shè)計

目前,在室內(nèi)定位的諸多系統(tǒng)中,主要采用的是Wi-Fi的方式來進行定位的,而隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)和Zigbee的快速發(fā)展,運用MEMS慣性傳感器和Zigbee節(jié)點進行定位已然成為了一種可能,而且,將兩者技術(shù)進行融合定位,不僅能夠提升定位的精度,同時,也為室內(nèi)定位提出了一種新的解決方案。本文的主要思路就是借助于MEMS慣性傳感器與WSN來實現(xiàn)兩者的聯(lián)合定位,其中MEMS實現(xiàn)精確定位,WSN則在數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)功能之外輔助MEMS傳感器實現(xiàn)移動目標位置的定時校準。

根據(jù)上述思想,本文提出的基于MEMS和WSN技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的整體設(shè)計框架有外部客戶端及相關(guān)的外部網(wǎng)絡(luò)、MEMS慣性傳感器定位以及WSN聯(lián)合定位設(shè)備等部分組成,系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框架圖

1) Zigbee節(jié)點:在本方案中,Zigbee節(jié)點可以分為兩種:終端Zigbee節(jié)點和匯聚Zigbee節(jié)點。

終端Zigbee節(jié)點不僅能與便攜式MEMS定位設(shè)備進行通信,而且這些節(jié)點之間還可以進行自組網(wǎng),進行數(shù)據(jù)的通信,當這些節(jié)點組網(wǎng)后,信標節(jié)點之間的信息實現(xiàn)了共享,那么就可以通過某種機制來實現(xiàn)更優(yōu)化的定位算法;匯聚Zigbee節(jié)點在本框架中主要負責從終端Zigbee節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)進行融合、轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端以及負責把客戶端處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給終端Zigbee節(jié)點。

在本系統(tǒng)中,由于特定的需求,終端Zigbee節(jié)點和匯聚Zigbee節(jié)點的通信半徑是不同的,一般地,匯聚Zigbee節(jié)點的通信半徑能夠覆蓋整個室內(nèi),而終端Zigbee節(jié)點的通信半徑則相對小很多。

2) 便攜式MEMS定位設(shè)備:該設(shè)備會通過自身攜帶的MEMS慣性傳感器進行實時的定位,同時,其還將會通過Zigbee協(xié)議與WSN中的Zigbee節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信,以及通過GPRS/3G協(xié)議負責與外部客戶端進行數(shù)據(jù)的傳送。

3) 客戶端:外部客戶端主要負責數(shù)據(jù)的分析、處理和反饋。

3硬件設(shè)計

3.1便攜式MEMS定位設(shè)備

在本方案中,便攜式MEMS定位設(shè)備的功能主要有:

1) 在MEMS器件中,預(yù)先嵌入相關(guān)的定位算法,這樣消防員就可以通過MEMS模塊來獲取到自身的位置和行駛的里程數(shù);

2) 該模塊要能夠?qū)崿F(xiàn)與節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信,WSN中的節(jié)點要能夠?qū)⑵渥陨淼墓?jié)點信息傳輸給便攜式MEMS定位裝置;

根據(jù)便攜式MEMS定位設(shè)備的功能需求,在本方案的硬件設(shè)計中,便攜式MEMS定位設(shè)備包含電源模塊、MEMS慣性傳感器模塊、Zigbee模塊和ARM處理模塊,設(shè)備的組成框架圖如圖2所示。

圖2　便攜式MEMS定位設(shè)備框架圖

1) 電源模塊:實現(xiàn)對設(shè)備各個功能模塊進行供電,同時考慮低功耗設(shè)計。

2) MEMS慣性傳感器模塊:采用成熟的MEMS慣性傳感器芯片,并嵌入能夠?qū)崿F(xiàn)定位以及位移計算功能的算法。

3) Zigbee模塊:實現(xiàn)節(jié)點坐標信息的點對點的通信,在實施的時候,需要給其配置終端節(jié)點的相關(guān)參數(shù),從而使得其在系統(tǒng)中完全充當終端節(jié)點的作用,這樣其就可以根據(jù)其自身的功能或者需求進行工作,在本方案中的Zigbee模塊的組成與WSN中的Zigbee終端節(jié)點是相同的。

4) ARM處理模塊:負責便攜式MEMS定位設(shè)備相關(guān)外圍模塊正常工作的控制系統(tǒng)。

3.2WSN中Zigbee節(jié)點

在本方案中,由于WSN是自組網(wǎng)的,Zigbee節(jié)點可根據(jù)不同的需要分配不同的角色,能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能:

1) 要能夠發(fā)起這些Zigbee節(jié)點自動組網(wǎng);

2) 這些Zigbee節(jié)點要能夠通過多跳將相關(guān)的數(shù)據(jù)包傳送給自身通信范圍外的其他節(jié)點;

3) 其中充當匯聚節(jié)點的Zigbee節(jié)點要能夠通過GPRS/3G協(xié)議實現(xiàn)與外部客戶端進行通信;

4) 充當匯聚節(jié)點的Zigbee節(jié)點要能夠?qū)耐獠靠蛻舳私邮盏降淖鴺诵畔⑼ㄟ^語音的形式將其廣播出來;

5) 充當匯聚節(jié)點的Zigbee節(jié)點要留有功能拓展接口,以方便其他功能模塊的接入與實施。

根據(jù)Zigbee協(xié)議可知,在使用Zigbee節(jié)點來組建WSN時,這些節(jié)點分為三種角色:協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。

協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的第一個開始的設(shè)備,協(xié)調(diào)器節(jié)點選擇一個信道和網(wǎng)絡(luò)標志符(也叫PAN ID),然后開始建立一個網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中可以使用,比如建立安全機制、網(wǎng)絡(luò)中的綁定的建立等等。

路由器實現(xiàn)多跳路由、允許合法設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、并輔助子節(jié)點完成通信。

終端節(jié)點實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集等相關(guān)的功能,一般直接使用電池供電即可。

在本方案中,將WSN的網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這樣可以增強自組織網(wǎng)絡(luò)的深度和復雜度,以實現(xiàn)更大的數(shù)據(jù)共享。按照上述的三種角色對WSN中的Zigbee節(jié)點進行劃分,首先,由于在該網(wǎng)絡(luò)中,這些節(jié)點并不需要采集周圍環(huán)境的相關(guān)信息,該網(wǎng)絡(luò)的重點是要實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的相互傳輸,因此,在設(shè)計這些節(jié)點的角色時,本方案就拋棄了終端節(jié)點,這樣網(wǎng)絡(luò)中只存在協(xié)調(diào)器和路由器?；赯igbee的WSN的網(wǎng)絡(luò)模型圖如圖3所示。

圖3　基于Zigbee的WSN網(wǎng)絡(luò)模型圖

在本系統(tǒng)中,通過給室內(nèi)的入口處的Zigbee節(jié)點配置協(xié)調(diào)器的相關(guān)參數(shù),這樣就使得網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了一個能夠發(fā)起組網(wǎng)的協(xié)調(diào)器,使得網(wǎng)絡(luò)中其他的節(jié)點都能夠加入到該自組織網(wǎng)絡(luò)中,在本方案中,其他的節(jié)點都配置路由器的相關(guān)參數(shù),使得這些節(jié)點都能夠在網(wǎng)絡(luò)中自由地接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。由于這些節(jié)點沒有其他的特殊功能要求,因此,這些協(xié)調(diào)器和路由器的硬件框架圖和方案一中的WSN中Zigbee節(jié)點的硬件組成框架圖一樣。

此外,網(wǎng)絡(luò)中存在一個匯聚節(jié)點,當然該匯聚節(jié)點也是配置為路由器,使得其能夠接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,除此之外,該匯聚節(jié)點還將具備以下模塊:

1) GPRS/3G通信協(xié)議接口模塊:由于在本地定位系統(tǒng)中,便攜式MEMS定位設(shè)備沒有與外部客戶端進行通信,因此,匯聚節(jié)點需要有GPRS/3G的無線通信協(xié)議,以便將本地的測量的數(shù)據(jù)發(fā)送給外部客戶端進行處理,同時,也能夠通過該接口將外部的處理結(jié)果接收回來;將從外部客戶端獲取到的坐標信息廣播給所有的消防員,以方便消防員之間的協(xié)作執(zhí)行任務(wù);

2) 坐標信息接收模塊:為了便于節(jié)點用戶之間的協(xié)作,對于外部客戶端發(fā)送回來的坐標信息,在該匯聚節(jié)點上要能夠以語音的方式獲得到坐標的信息;

3) 其他的功能擴展模塊,在實際的處理消防任務(wù)過程中,可能還需要一些其他方面的需求,諸如:室內(nèi)的煙霧濃度采集、室內(nèi)視頻的采集、行駛的路線采集等;

4) ARM處理模塊,該處理模塊必須負責外圍模塊正常工作的控制系統(tǒng),一般地,ARM處理模塊可以采用ARM9處理器來構(gòu)建該模塊。

如圖4所示,為匯聚節(jié)點的硬件組成框架圖。

圖4　匯聚節(jié)點硬件組成框架圖

4算法設(shè)計

系統(tǒng)實現(xiàn)主要包含兩類算法,MEMS模塊的嵌入式定位算法和系統(tǒng)的定位機制算法。

4.1MEMS模塊的嵌入式定位算法

慣性導航(Inertial Navigation)是依據(jù)牛頓慣性原理,利用慣性元件(陀螺儀和加速度計)來測量運載體本身的加速度,經(jīng)過積分和運算得到速度和位置,從而達到對運載體導航定位的目的。慣性導航的優(yōu)勢在于給定了初始條件后,不需要外部參照就可確定當前位置、方向及速度。其精度和性能很大程度取決于傳感器精度,傳感器的小誤差會隨時間累積成大誤差。高精度、高帶寬和快速響應(yīng)姿態(tài)求解算法,靜態(tài)誤差小于1°。陀螺儀零漂去除算法,使得姿態(tài)不隨溫度等環(huán)境漂移。本文采用自適應(yīng)濾波器動態(tài)消除加速度計和陀螺噪聲,采用動態(tài)子校準方法消除軟磁和硬磁的影響,保證姿態(tài)和方向計算精度。傳感器數(shù)據(jù)融合算法采用基于四元數(shù)的擴張卡爾曼算法進行數(shù)據(jù)融合,互補不同傳感器優(yōu)劣勢,如圖5結(jié)構(gòu)所示。

圖5　傳感器數(shù)據(jù)融合算法結(jié)構(gòu)圖

融合算法支持輸出歐拉角、旋轉(zhuǎn)矩陣和四元數(shù)。歐拉角到旋轉(zhuǎn)矩陣的轉(zhuǎn)換的公式:

旋轉(zhuǎn)矩陣到歐拉角的轉(zhuǎn)換公式:

四元數(shù)到旋轉(zhuǎn)矩陣的轉(zhuǎn)換公式:

4.2系統(tǒng)定位機制算法

本文的算法具有一個基本的模型,如圖6所示,在該定位模型下,所有的Zigbee節(jié)點的坐標信息都是一致的,也就是說,這些傳感器節(jié)點實際上充當?shù)氖清^節(jié)點的角色。

這個模型可以做出如下解釋:

步驟一:部署Zigcbee節(jié)點;

步驟二:操作人員攜帶MEMS定位裝置,并開啟MEMS定位裝置,開始定位;

步驟三:操作人員進入室內(nèi),并與入口處的Zigbee形成之間通信,此時就將此節(jié)點處的坐標信息傳輸給MEMS系統(tǒng),并進行初始化;

圖6　算法的基本模型圖

圖7　算法整體流程圖

步驟四:消防員繼續(xù)前進,如若在前進的過程中,能夠與已部署在室內(nèi)的傳感器節(jié)點構(gòu)成直接通信系統(tǒng),若此時,因為MEMS定位出來的誤差比較大,則此時運用WSN進行輔助定位,如此往復循環(huán);

步驟五:操作人員處于出口處,則整個救援工作結(jié)束,定位也就結(jié)束,關(guān)閉定位裝置,同時,撤出所有的Zigbee節(jié)點。

根據(jù)本系統(tǒng)的整體設(shè)計思路,其算法的整體流程如圖7所示。同時系統(tǒng)根據(jù)基于WSN節(jié)點獨立式和WSN節(jié)點自組網(wǎng)這兩種情況,分別設(shè)計出了相應(yīng)的算法。

5結(jié)語

本文針對沒有WIFI等無線環(huán)境的應(yīng)急場合下,需要進行室內(nèi)定位的實際需求出發(fā),提出采用MEMS和WSN技術(shù)相融合的室內(nèi)定位系統(tǒng)方案,系統(tǒng)由通用成熟硬件模塊組成,通過不斷優(yōu)化軟件和算法提升系統(tǒng)性能。根據(jù)MEMS和WSN的特點設(shè)計的室內(nèi)定位系統(tǒng),不依賴于現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò),架設(shè)時也不需要事先進行大量的測量,適合臨時應(yīng)急任務(wù)時的快速架設(shè)。無線定標、MEMS精調(diào)能夠規(guī)避單一手段引起的位置積累誤差和干擾影響,大大提高系統(tǒng)定位精度,而自組網(wǎng)方式的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu),能夠有效提高系統(tǒng)的抗毀性。

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中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.014

作者簡介:吳宇,男,工程師,研究方向:無線通信。

收稿日期:2015年9月1日,修回日期:2015年10月16日