基于交点质心算法的人员区域定位系统研究

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摘 要： 采用物联网技术设计了一套地下人员区域定位的安全管理系统。该系统采用智能安全识别卡作为当前移动节点坐标位置的发出者，无线定位基站作为移动节点坐标位置的接收者，基于交点质心定位算法定位地下工作人员的三维坐标位置，并通过以太网将采集到的坐标信息传输至地面监控调度中心。地面监控调度中心根据接收到的信息自动记录地下工作人员的相关信息，并自动统计生成考勤报表。整套定位系统环境适应度强，可实现对环境信息的采集和工作人员的定位，通过与传统的四边测量法实验结果进行对比，发现基于交点质心的三维空间定位算法定位效果更好，误差更小。

关键词： 物联网； 智能安全识别卡； 无线定位基站； 交点质心定位算法

中图分类号： TN911⁃34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）17⁃0027⁃05

Research on staff regional positioning system based on intersection centroid algorithm

JIANG Chunli， LI Zhenglin， LUO Wenguang， WANG Zhi

（School of Electrical and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： A safety management system for underground staff regional positioning was designed by means of Internet of Things technology. The intelligent security identification card is taken as the initiator of the current mobile node coordinate location in the system， and the wireless positioning base station is taken as the receiver of the mobile node coordinate position. The three⁃dimensional coordinate location of the underground staff is located on the basis of intersection centroid localization algorithm. The coordinate information acquired through Ethernet is transmitted to the ground monitoring and dispatching center. The ground monitoring and dispatching center records the relevant information of the underground staff automatically according to the received information， and analyzes and generates the attendance report automatically. The whole positioning system has strong environment adaptability， and can acquire the environment information and locate the staff. In comparison with the experimental result of the traditional four⁃side measurement method， it is found that the three⁃dimensional space localization algorithm based on intersection centroid has better positioning effect and smaller error.

Keywords： Internet of Things； intelligent security identification card； wireless positioning base station； intersection centroid localization algorithm

0 引 言

基于多因素下考虑的安全型管理系统，其设计要求需要对地下的活动环境进行监控，还需要具备及时调度地下人员与设备自动化操作的能力，从源头上提高地下工作的生产效率和安全性[1]。当前，地下有线监控系统发展得越来越快，作为地下安全生产的重要因素，普遍采用工业总线的方式，利用电缆、光纤搭建起地下监测系统与地面信息中心的平台媒介，这在一定程度上可以确保地下生产工作的有序进行，从真正意义上起到安全监控的作用[2⁃3]。但是由于地下工作环境的复杂性、有线监控系统自身的局限性、不同基站之间的相互干扰等因素，很难对温度、湿度、气压、风力速度、瓦斯浓度、煤矿尘含量等不利于地下安全生产的性能指标实施全面高效的监测。随着移动通信领域和电子器件领域的快速发展，低功耗、具有可编程计算、多参数感应和无线通信能力的传感器开始得到实际应用。无线传感器网络在动态、恶劣、陌生环境下实施灵活可靠的监测与定位起着至关重要的作用[4⁃7]。

本文结合地下环境的特点，基于无线传感器网络技术，设计了一套地下人员区域定位的安全管理系统，该系统主要由无线定位基站（简称读卡器）、智能安全识别卡（简称识别卡）、数据通信转换器三大部分组成，能够实时准确地监测地下生产环境，进行灾害预警和跟踪定位地下工作人员，使管理人员能够时刻掌握地下工作人员的位置、人数、现场分布和人员的工作路径，实现科学管理，提高劳动生产率；一旦有紧急情况发生时，救援人员也可以根据该定位系统所提供的人员位置坐标信息制定相应的救援计划，确保所有被困人员在最短的时间里得到救助，将人员伤亡和经济损失降低到最小范围。

1 移动目标下的定位算法

多个定位基站、参考节点、用户界面和通信中的链路构成了无线传感器网络模型。以降落伞方式放置的参考节点部署在整个监测区中，或者由人工主动安置在被监控对象内，自发式搭建网络[8⁃10]。参考节点主要用于收集周围的物理量数据，再将数据逐条传递给基站，并通过互联网传送到监测中心。同时，控制中心产生相应的控制信号，基站和无线传感器收到相应信号后，会产生新的监测任务或者收集监测到的移动节点信息，如图1所示。

移动节点主要由单功能的通信设备构成，设备能够单独对信号进行编码、解码，含有位置的信息通过信号处理后发送出去，同时也能接收来自基站的定位控制信息，并通过已确定的参考节点无线接收器接收、处理后传輸至网关协调器。当地面监控调度中心检测到信号时，上位机的反馈信号将会传送给网关协调器，采用有线传输方式传送至地面监控调度中心，通过调度中心原有的数据库信息与之对比，根据对比结果锁定人员身份，之后按先前给定的RSSI定位算法来确定锁定人员的实际位置。为了准确完成移动节点的定位，在整个系统中，一定要保证所有的移动节点在任何情况下都能被3个参考节点或大于3个参考节点的路由器接收，从而保证更加准确地确定移动节点的位置信息[11]。

为改善三维空间定位精度低的情况，本文提出一种三维空间交点质心算法。该定位算法拥有较高的空间定位精度，但对参考节点有很高的要求，需要筛选出距离移动节点最近的几个参考节点，并通过RSSI测出其与移动节点的距离，根据测距结果搭建空间模型，构造出相邻两球心连线与球面的交点，根据交点与质心及两球心的距离等已知因素求出待测节点在空间中的三维坐标量。假设地下环境中的移动物体（即地下工作人员）经过距离后的路径损耗为：

（1）

式中：为待测移动节点在处接收到参考节点信息的信号强度；表示待测节点到参考节点之间的距离；为待测移动节点在处接收到参考节点信息的信号强度；表示参考距离；为路径衰落指数，在不同的环境下取值不同，一般取2～5；表示均值为0的高斯分布随机变量，标准差范围为4～10。

设选中的4个参考节点分别为通过RSSI测距得到待测移动节点到参考节点的距离分别为可得到以为球心，为半径的4个三维空间球面方程为：

（2）

（3）

（4）

（5）

然后将参考节点两两连线，可得到6组方程：

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

（11）

联立式（2），式（3），式（6）解得与的交点求得：

（12）

比较的大小，取中间大小的两个点为第一组的交点，记为。同理，联立其他公式，可以得到另外5组交点。根据以上12个交点坐标，可以求得待测移动节点的位置坐标为：

（13）

2 系统设计及构成

2.1 无线定位基站

基站起到了无线传感器网络和外部网络数据之间交换的桥梁作用，基站将采集到的数据信息通过无线网络媒介发送给外部网络，管理控制信息或者新的任务信息通过无线定位基站控制节点的方式发送给无线传感器网络[12]。本文采用 KJ1080B无线定位基站，该基站主要由无线接收、SPI通信、E2PROM存储器及信号输出等模块组成，使用意法半导体推出的CORTEX M0作为主芯片，主频最高可达48 MHz，内含32 KB的FLASH程序存储器，8 KB的SRAM数据存储器以及高性能的32位ARM，1路以太网通信和1个看门狗（有独立的看门狗时钟），原理图如图2所示。

2.2 智能安全识别卡

智能安全识别卡采用nRF24LU1P作为主芯片，它是一款世界通用ISM频段在2.4～2.5 GHz的单片无线收发器芯片。无线收发器包括调制器、功率放大器、频率发生器、控制器、晶体振荡器、增强型SchockBurstTM模式、解调器。可以通过SPI的片选引脚CSN，SPI时钟引脚CLK，SPI的MOSI与MISO等对信号的功率、选择频道和通信协议等进行相关设置，具有极低的电流消耗：当发射功率为-6 dBm且工作在发射模式时，电流的有效消耗为9.0 mA；工作在接收模式时，电流的有效消耗为12.3 mA；工作在待机和掉电模式时，则有更低的电流消耗。智能安全识别卡原理框图如图3所示，传输示意图如图4所示。

2.3 参考节点

参考节点接收器主要针对移动节点设置好参照节点，便于准确地对其定位，然后将测量信息量传输出去。整个参考节点路由器是由外部电源模块等相关外接电路和CC2430芯片组成，电路基本构成如图5所示。

使用较少的元器件搭建CC2430外围电路能够有效的完成接收和发送功能，可见CC2430芯片的功能非常强大，衡变器必须连接到天线上，这样，全部电路产生的信号都经过同一根天线衡变之后发送或者接收，保证信号可靠。CC2430芯片在正常模式下的最大输出功率为0.6 dBm，即使处于完全空旷的场地上其最大的通信范围为100 m。如果使其工作在多变且复杂的环境中，相同路径传输的能量损耗也将会大幅度增加，使信号传输的距离变短，严重时甚至不能满足实际需求。当监测范围不够时，考虑到增大发射功率能够有效地覆盖全部区域，因此可以增加一个前端放大器来增大功率。采用CC2591作为前置芯片是因为CC2591的电路设计简单，使用方便，内部集成度高，在一定范围内能增加覆盖面，使得CC2430的节点覆盖更加有效，同时可适当减少路由器数量，能在更短的时间内传送完。考虑到移动节点位置信息发送无周期性，为保证安全起见，确保CC2430处于工作状态是必要的。电源最好是使用地下的动力电源进行供电，同时还要配备独立电源，保证动力电源线路发生故障时，仍然能正常工作。

预先设置好的固定参考节点路由器通电后第一时间就会开始搜索附近是否有其他网络，并发出加入请求，一旦加入成功后，工作指示灯就会点亮，之后开始对移动节点信号进行搜寻，搜寻到后接收的信息，同时状态灯中的红灯将会被点亮，系统根据当前接收到的信号进行分析判断，即信号频率、频段等是否匹配，如果匹配则发送确认信号给它，并对接收的信号强度及信号中包含的位置信息等进行信号处理，处理后的信息量将通过设置相关寄存器以最快的传输路径传送给网关协调器，传输路径是由各个路由器和基站等网络层组件构成，其优点是可操作性强。

2.4 移动节点

为了保证地下安全生产工作的顺利进行，移动节点电路要求具有能量损耗低，工作性能稳定可靠，重量体积都不大的特点，这里选择CC2430芯片作为移动节点，它的特点是耗能低，发射功率低于1 mW。正常工作时，微处理器的运行频率为32 MHz，工作在接收模式时能量损耗为27 mA，工作在发射模式时为25 mA。移动节点的工作时间不是连续的，当工作一次发送完定位信号，在接收到回复信息后立刻进入到休眠状态。这样，电源的使用时间得到了更好的提高，当进入休眠状态时，芯片的静态电流为0.9 A，改变电流，随时能唤醒芯片。CC2430能在短时间内实现休眠状态与工作状态的相互切换，移动节点硬件结构图如图6所示。

CC2430芯片内部集成了8051 CPU，不需要外接微型处理器，仅需要很少的外围设备连接就能完成数据信息的接收、发送及处理。地下工作人员需要佩戴各自的射频芯片，芯片中含有各自的地址信息，每个人都不尽相同，当工作人员走入某个参考节点辐射范围内或者是多个参考节点的辐射范围内，随身的射频芯片能周期性的自动发射携带的独特信息等，同时，也会自动接收来自上层设备发出的确定信息或者控制信号，因为参考节点在接收到信号后会反馈发出一个确定信号，确定信号一旦传送到射频芯片后，射频芯片将会停止工作进入休眠模式，等待一分钟后再次启动工作模式。

3 系统仿真与测试

本文改进了传统的基于质心算法的三维空间定位算法，首先要测量出各个参考节点与待测移动节点的距离量在本文中采用RSSI距离损耗模型求得，通过选取各个参考节点为圆心，半径为各个节点到移动节点的距离量从而可以画出四个三维空间的球面，四个球面围成的一个小空间区域为待测移动节点的所处区域，然后根据已知的距离量即边长，由三角公式计算出两两球心间距及球心到球面12个交点的距离，最后将这12个交点的质心作为待测点的位置估计。模拟一个长1 000 m，宽8 m，高5 m的三维隧道模型，从隧道的入口开始，均匀放置参考节点，在数据中添加方差为20，均值为4的随机噪声，用来模拟实际环境中反射、干扰等影响，如图7所示，总共设置有22个参考节点，参考节点的具体位置坐标如表1所示。

针对传统的RSSI算法与三维空间交点质心算法在定位方面进行仿真对比，随机测试20组待测的移动节点数据，如表2所示，在三维空间中，不同定位算法的仿真结果如图8所示。“×”代表四边测量定位算法的仿真结果，“●”代表基于交点质心定位算法的仿真结果。

通过图9可以看出，三维空间交点质心算法与传统的RSSI测距的四边测量法相比，误差相对比较平稳，定位精度较高，相对而言，三维空间交点质心定位算法具有更好的定位效果，能够更好地满足三维空间定位的需求。

由于施工人员的进出时间不同及进出数量的不同，读卡器的读取顺序和数量自然也不相同，读卡器的数据能及时反映到地面监控调度中心的系统软件中，并体现到大屏幕上，使考勤情况一目了然。考勤卡可以佩戴于工作人员身上任何位置，无需拿出来就能自动识别，准确度高，操作方便，使管理人员在监控室就能及时掌握施工现场的具体情况。管理人员根据地面监控调度中心的定位数据反馈，开始测试网关协调器。网关协调器上能够连接不同种类的传感器，进行地下各种环境参数（温度、湿度、气体浓度）的实时采集，对采样数据进行处理后与原先设定的临界值进行对比，如果环境指示灯点亮则表示超过临界值，通过网络总线将数据传送至地面的监控室，监控室系统会立即分析收到的数据，如果参数属于危险值范畴内，会立刻发送报警信号，同时通知所有人员离开危险区域。在接收用户请求之前，可以预先设置符合要求的环境信息值。当在地面监控调度中心时可以通过电脑终端进行检测和控制，当离开地面监控调度中心时，可以通过手机终端进行远程检测和控制，实现实时监控的功能。

4 结 语

本文的地下人员区域定位系统会根据接收到的信息自动记录人员姓名、工号、部门、进出时间、路径等，并自动统计生成考勤报表，为隧道、井下施工提供考勤管理信息。识别卡可以记录出工作人员在地下的工作情况，即工作人员何时经过的监测点，在某一区域的工作时间。即使工作人员佩戴识别卡开车进入隧道，无线定位基站也能读取到移动人员的位置信息。为了提高定位系统的精度，本文选择三维空间交点质心定位算法，通过与传统的RSSI测距的四边测量法实验结果进行对比，发现三维空间交点质心定位算法具有更好的定位效果。

注：本文通讯作者为罗文广。

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