劉 宇，劉多納，楊曉輝，楊 磊

(重慶郵電大學(xué) 光電信息感測與傳輸技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.08

劉宇，劉多納，楊曉輝，等.無線Mesh自組網(wǎng)技術(shù)在室內(nèi)定位的應(yīng)用[J].無線電通信技術(shù),2018,44(1):39-42.

[LIU Yu，LIU Duona，YANG Xiaohui，et al.Application of Wireless Mesh Ad Hoc Network Technology in Indoor Positioning [J].Radio Communications Technology,2018,44(1):39-42.]

無線Mesh自組網(wǎng)技術(shù)在室內(nèi)定位的應(yīng)用

劉 宇，劉多納，楊曉輝，楊 磊

(重慶郵電大學(xué) 光電信息感測與傳輸技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065)

針對目前一些要求較高的人員定位系統(tǒng)定位成本高、距離短、無法實時顯示多個人員位置等問題，研究并設(shè)計一種基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與慣性傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)解決了在室內(nèi)較為封閉的環(huán)境下無法實現(xiàn)人員定位和定位距離受限等關(guān)鍵性問題。將慣性傳感器與無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢結(jié)合，構(gòu)建完整的星型多路徑人員定位系統(tǒng)。通過測試該定位系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，表明該定位系統(tǒng)能夠較好地滿足火災(zāi)救援等嚴(yán)峻工作環(huán)境下人員的定位需求。同時，與傳統(tǒng)室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的人員定位系統(tǒng)在組網(wǎng)的操作性、成本、穩(wěn)定性等方面具有較大的優(yōu)勢。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；慣性傳感器；人員定位；自組網(wǎng)

TN391.4

A

1003-3114(2018)01-39-4

2017-10-09

國家自然科學(xué)基金項目(61301124，61471075，61671091)；重慶市科委基礎(chǔ)研究項目(cstc2014jcyjA1350)；重慶郵電大學(xué)博士啟動基金項目(A2015-40)；重慶科委自然科學(xué)基金項目(cstc2016jcyjA0347)

ApplicationofWirelessMeshAdHocNetworkTechnologyinIndoorPositioning

LIU Yu,LIU Duona,YANG Xiaohui,YANG Lei

(Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectronic Information Sensing and Transmitting Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Some personnel positioning systems with higher requirements have such disadvantages as high positioning cost,short distance,unable to display real-time positions of multiple people,etc.In view of these problems,this paper studies and design an indoor positioning system based on Mesh network and inertial sensor.The system can implement personnel positioning in closed environment,and the positioning distance is not limited.Combining the advantages of wireless Mesh network with that of inertial sensor,a complete star multi-path staff positioning system is built.The test results show that this positioning system can better meet the requirements for personnel positioning in severe environment such as fire disaster.Compared with traditional indoor positioning system,the personnel positioning system based on Mesh network is advantageous in operatability,cost,stability,etc..

wireless Mesh network; inertial sensor; personnel positioning; ad hoc network

0 引言

隨著室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，多種室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。室內(nèi)定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r感知人員當(dāng)前所處的位置、狀態(tài)等信息，不僅可以達(dá)到定位人員了解自己所處位置的目的，在應(yīng)急救災(zāi)方面還可以讓外部人員清楚地知道內(nèi)部人員的位置和狀態(tài)，提高救援人員調(diào)度和管理的效率[1]。

文獻(xiàn)[2]利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)了煤礦人員的定位，文獻(xiàn)[3]根據(jù)慣性導(dǎo)航與WSN的結(jié)合，設(shè)計了井下人員的定位系統(tǒng)，諸如此類的人員定位系統(tǒng)種類繁多，各有優(yōu)勢。基于此，本文在借鑒前人研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，利用慣性傳感器自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的人員定位。

1 無線慣性傳感自組網(wǎng)技術(shù)

MEMS慣性傳感器在如今的室內(nèi)定位領(lǐng)域越發(fā)活躍，得到了廣泛運用和快速發(fā)展。MEMS慣性傳感器擁有其他傳感器不具備的尺寸小、重量輕、功耗低等優(yōu)勢，且適合批量生產(chǎn)，能夠安裝在人體的頸、腰、足等身體部位，實時準(zhǔn)確地感知人體的位置和姿態(tài)等信息，再通過無線通信的方式將這些數(shù)據(jù)發(fā)出就可以實現(xiàn)室內(nèi)人員的定位[3]。多數(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)會選擇Wi-Fi、GPRS等無線通信方式，這些方式都需要提前布點，只能在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行定位，當(dāng)面對復(fù)雜惡劣環(huán)境或突發(fā)事件，以上定位方式并沒有優(yōu)勢可言[4]。本文使用慣性傳感器自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的人員定位。能夠不受環(huán)境的約束，靈活使用，對更好地解決各種復(fù)雜環(huán)境下的組網(wǎng)任務(wù)具有重要的理論和實際意義[5]。

2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)將無線局域網(wǎng)和移動自組網(wǎng)相結(jié)合，是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，代表了無線自組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向，近幾年得到了人們的廣泛關(guān)注。無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)是低功率的多級跳點網(wǎng)絡(luò)，它是把信息從一個節(jié)點傳遞到另一個節(jié)點，直到信息到達(dá)目的地。對于點對點的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點會自動過濾信號只接收自己需要的信息，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點接收到要傳給其他節(jié)點的信息時，會像中繼一樣把它們再次傳送出去[6]。

圖1 Mesh網(wǎng)絡(luò)示意圖

因此每個無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點可以作為接入終端，也具有路由和信息轉(zhuǎn)發(fā)的功能，具有極高的組網(wǎng)自由度。無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)還提供從源節(jié)點到目的地的多條冗余通信路徑。如果一條路徑由于故障或干擾而停止工作，網(wǎng)絡(luò)會自動改變傳輸?shù)穆窂剑剐畔⑼ㄟ^其他路徑傳輸[7]。

Mesh網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)協(xié)議是針對硬件資源條件苛刻的移動自組網(wǎng)設(shè)計的，適用于移動速度快、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快的無線網(wǎng)絡(luò)，有對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化敏感、網(wǎng)絡(luò)吞吐量高等優(yōu)勢[8]。

3 定位系統(tǒng)設(shè)計

室內(nèi)定位系統(tǒng)需要感知人員的實時位置，這不僅要通信距離遠(yuǎn)、速度快，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也經(jīng)常改變，屬于比較苛刻的移動自組織網(wǎng)絡(luò)[9]。

傳統(tǒng)的室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)需要提前布點或利用有線網(wǎng)絡(luò)。本文要解決的關(guān)鍵問題就是如何建立靈活的無線定位網(wǎng)絡(luò)。采用Mesh 路由協(xié)議就可以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源、平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、改善通信性能、避免網(wǎng)絡(luò)震蕩[10]，以適應(yīng)室內(nèi)定位系統(tǒng)這樣快速變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且有強(qiáng)大的功能和很好的可擴(kuò)展性，方便在網(wǎng)絡(luò)中增加定位的人數(shù)。

本定位系統(tǒng)主要用于復(fù)雜密閉環(huán)境下室內(nèi)人員實時定位問題，尤其是在無法傳輸無線信號的地下礦井或車庫里，面對地震火災(zāi)等突發(fā)情況，不需要提前布置網(wǎng)關(guān)，也不用借助有線網(wǎng)絡(luò)，定位系統(tǒng)組網(wǎng)快速靈活，解決了當(dāng)今的定位系統(tǒng)成本高、速度慢等問題，有很大的實用價值。

3.1 定位系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本室內(nèi)定位系統(tǒng)由定位終端節(jié)點、中繼器、集中器和上位機(jī)電腦組成，是一個以上位機(jī)為中心，定位終端和中繼器為節(jié)點的星形網(wǎng)絡(luò)。定位終端節(jié)點需要佩戴在人員腰部，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，并將解算后的位置信息通過無線發(fā)送至中繼或者上位機(jī)電腦。中繼器和集中器的作用是將上位機(jī)的命令傳輸給定位終端節(jié)點以及將定位節(jié)點采集的數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。上位機(jī)會依次發(fā)送指令給定位節(jié)點，節(jié)點接收到指令便發(fā)送解算后的數(shù)據(jù)，沒有收到指令的節(jié)點處于等待狀態(tài)，上位機(jī)收到各組數(shù)據(jù)后在界面上顯示每個定位人員的軌跡和位置。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 室內(nèi)定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 定位節(jié)點的硬件設(shè)計

定位終端節(jié)點包含感知人員位置和姿態(tài)等信息的傳感器模塊。微處理器選用ST公司的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列，該處理器指令豐富，提供了JTAG接口用于程序的下載與調(diào)試，還包含了大量的I/O接口，方便上位機(jī)讀取串口數(shù)據(jù)，具有高性能、易于開發(fā)、實時性強(qiáng)等特點。MEMS加速度計使用Murata公司所生產(chǎn)的SCC2230-E02，能同時采集3個軸向的加速度值，穩(wěn)定性較好，可靠性高。本文選用的磁力計型號為SMAG3，具有廣泛的測量范圍。能夠完全滿足定位系統(tǒng)的需求。無線通信模塊選用的是基于SX1278芯片的低功率433 MHz無線Mesh組網(wǎng)模塊，由標(biāo)準(zhǔn)供電電源DC 5V/0.5A供電。定位終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 定位終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

中繼和集中器也使用和定位終端相同的Mesh組網(wǎng)模塊。接收端同樣使用該Mesh組網(wǎng)模塊，并通過USB接口連接上位機(jī)PC，接收定位終端、中繼和集中器發(fā)出的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過上位機(jī)解算后顯示在界面上。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)功能的不同，系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為定位節(jié)點和上位機(jī)界面的程序設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計的開發(fā)平臺選用Keil μVision5。終端節(jié)點的作用主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。設(shè)備上電后，首先采集陀螺儀、加速度計和磁力計的原始數(shù)據(jù)，并對采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再通過數(shù)據(jù)融合、濾波等方法解算節(jié)點的姿態(tài)信息，得到目標(biāo)節(jié)點的航向，最后通過航位推算得到節(jié)點當(dāng)前的位置信息，最終實現(xiàn)定位節(jié)點位置信息的確定。位置信息推算流程如圖4所示。解算出來的信息由通信模塊發(fā)送。

圖4 位置信息確定流程圖

本系統(tǒng)采用Mesh網(wǎng)絡(luò)的輕量動態(tài)多徑路由協(xié)議，該路由協(xié)議可以最大限度減小路由建立和維護(hù)過程的開銷，能夠在多條路徑并行進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。將上位機(jī)接收端的模塊設(shè)置為Master模式，而其他模塊為Slave模式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形網(wǎng)。上位機(jī)通過輪詢的方式與定位節(jié)點之間進(jìn)行無線傳輸。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式包括6個8位數(shù)據(jù)，從高位到低位依次是：x軸數(shù)據(jù)、y軸數(shù)據(jù)、z軸數(shù)據(jù)、高度、航向和姿態(tài)，最后是校驗位。具體方法為：上位機(jī)依次向定位終端發(fā)送指令，接收到指令的定位終端便向上位機(jī)返回解算的數(shù)據(jù)，其他終端處于等待狀態(tài)。如果定位終端無法發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)，就先發(fā)送給中繼器或集中器，由中繼器轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。

將每個無線中繼器和集中器節(jié)點的通信模塊配置成自組網(wǎng)模式，中繼器接收到上位機(jī)或定位終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后再次轉(zhuǎn)發(fā)，利用模塊的自動路由功能就能實現(xiàn)中繼功能。在密閉空間或距離較遠(yuǎn)的情況下，上位機(jī)和定位終端無法直接通信，中繼器位于兩者的通信范圍之內(nèi)，就可以完成節(jié)點與上位機(jī)間信息的相互傳輸。

上位機(jī)界面的創(chuàng)建利用專業(yè)的三維實體模型軟件Unity 3D，模型可以快速地創(chuàng)建、修改、導(dǎo)出和渲染。首先收集整理建筑物的設(shè)計圖紙、照片等，利用PS等軟件處理，以滿足建模要求，再利用Unity 3D進(jìn)行模型創(chuàng)建并優(yōu)化，提高逼真度，達(dá)到建筑物真實的效果。上位機(jī)界面也會依靠無線Mesh模塊向外發(fā)送指令，當(dāng)接收到定位終端返回的數(shù)據(jù)后，界面將數(shù)據(jù)解算成圖上的軌跡，這樣就顯示了定位人員走過的路線和當(dāng)前的位置，而界面上的窗口還可以直接顯示其坐標(biāo)，外部人員就可以得知定位人員的位置姿態(tài)等信息了。上位機(jī)軌跡圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軌跡圖

4 系統(tǒng)性能驗證

系統(tǒng)搭建完成后，對定位系統(tǒng)性能進(jìn)行實際測試。系統(tǒng)性能測試的地點在教學(xué)樓內(nèi)，選取初始位置的坐標(biāo)為(0,0,0)，定位人員在腰部佩戴定位終端，上位機(jī)將獲取人員行走的軌跡和位置。

本次實驗測得1跳通信延遲約為90 ms，2跳通信延遲約為196 ms，從而能夠滿足人員的實時定位。定位人員在教學(xué)樓內(nèi)隨意行走約2 min后回到初始位置，得到坐標(biāo)數(shù)據(jù)(x,y,z)。相對誤差為:

平均誤差為：

采集10組坐標(biāo)數(shù)據(jù)并計算相對誤差，如表1所示。

表1 定位系統(tǒng)坐標(biāo)統(tǒng)計

次數(shù)初始坐標(biāo)結(jié)果相對誤差12345678910(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0，0，0)(0．6，0．4，0．1)(0．5，0．4，0)(0．2，0．6，0．2)(0．8，0．5，0．2)(0．5，0．5，0．1)(0．1，0．8，0)(0．5，0．6，0．1)(0．7，0．5，0．3)(0．3，1．0，0．2)(0．6，0．4，0．1)0．230．640．660．960．710．80．790．911．060．73

表2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)帶寬

測試項距離/m帶寬/Mbit·s-1延時/s點對點點對點點對點2跳通信3跳通信4跳通信10020030060090012001．11．01．01．01．21．10．380．640．981．962．743．71

通過測試實驗，可以看出基于Mesh的無線自組網(wǎng)技術(shù)能夠較好地運用到室內(nèi)定位系統(tǒng)中。該定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地獲取各個區(qū)域內(nèi)人員的位置姿態(tài)等信息，及時地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)界面上，外部的人員可以準(zhǔn)確掌握室內(nèi)人員的位置和運動軌跡。如果發(fā)生危險，也方便救援人員能夠及時到達(dá)事發(fā)地點進(jìn)行搶險。同時，在一般的生產(chǎn)中也方便管理人員進(jìn)行調(diào)度和分配，提高生產(chǎn)與管理效率。

5 結(jié)束語

本文對當(dāng)今存在的多種無線傳感自組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了分析，通過結(jié)合無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，研究并運用了一種基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與慣性傳感器的自組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了完整的星型多路徑人員定位系統(tǒng)。通過理論分析和實驗得到的數(shù)據(jù)可知：該系統(tǒng)實現(xiàn)了室內(nèi)人員定位系統(tǒng)的基本功能，能夠在上位機(jī)界面上實時顯示室內(nèi)人員的位置和姿態(tài)等信息，可以靈活改變定位網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和區(qū)域。與傳統(tǒng)室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，在組網(wǎng)的操作性、成本、穩(wěn)定性等方面具有較大的優(yōu)勢。未來還可以實現(xiàn)多種通信方式混合組網(wǎng)，實現(xiàn)高精度“全覆蓋”的定位網(wǎng)絡(luò)。

[1] 肖永.消防單兵室內(nèi)火場無線定位系統(tǒng)[J].電子世界,2014,6(5):26-29.

[2] 孟祥瑞，徐雪戰(zhàn)，趙光明.基于三維可視化與ZigBee技術(shù)的真三維煤礦人員定位[J].煤炭學(xué)報，2014,39(2)：603-608.

[3] 肖永健.基于WSN與慣性導(dǎo)航的井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[D].武漢:華中科技大學(xué),2014.

[4] 秦裕斌,陳建華,黃曉.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其運用[J].通信技術(shù),2009,12(24):144-146.

[5] 袁狄平,李牧,李智慧.基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的消防員室內(nèi)定位技術(shù)[J].消防科學(xué)與技術(shù),2014,6(12):66-74.

[6] 張興偉.基于WSN的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].光學(xué)精密工程,2014，20(6):1201-1207.

[7] 錢志鴻.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報,2013,22(10):236-241.

[8] 張鋒輝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)糧情檢測組網(wǎng)研究[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報，2010,23(5):1326-1350.

[9] 趙慶川.基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的瓦斯監(jiān)測節(jié)點設(shè)計[J].煤礦學(xué)報,2016,47(10):101-104.

[10] 林礪宗,王子異,劉磊.基于Ad Hoc無線自組網(wǎng)測量系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)研究[J].計算機(jī)工程,2007,33(1):253-255.

[11] 宋丹丹.無線工業(yè)遙控器的研究與設(shè)計[J].光學(xué)精密工程,2010,20(6):1201-1207.

[12] 余向陽.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)協(xié)議的研究與實現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009,19(12):521-536.

[13] 顏丙洋.基于433MHz模塊的遠(yuǎn)程抄表安全系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].山東：山東師范大學(xué),2013.

[14] 郭斌.基于230MHz無線自組網(wǎng)的電力信息采集系統(tǒng)研究[D].天津：天津大學(xué),2014.

[15] 王曉峰,張揚.230MHz無線專用網(wǎng)擴(kuò)容及自組網(wǎng)技術(shù)研究[J].電力需求側(cè)管理,2009 (9): 34-38.

劉宇(1972―)，男，教授，碩士生導(dǎo)師,主要研究方向：固態(tài)振動陀螺和光電傳感技術(shù)；

劉多納(1992―)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

楊曉輝(1994―)，男，碩士研究生，主要研究方向：傳感器件與系統(tǒng)；

楊磊(1992―)，男，碩士研究生，主要研究方向：傳感器件。