摘要:該文討論了煉鐵廠裝運鐵水的魚雷罐車罐號識別及定位問題,介紹了一種利用無線傳感器技術(shù)與射頻識別技術(shù)實現(xiàn)這種功能的基本方法,闡述了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于RSSI的定位技術(shù),研究了一種結(jié)合三角形質(zhì)心算法、有效的提高RSSI的測量精度的方法,利用NS2仿真工具對此算法進(jìn)行了仿真,給出了實現(xiàn)魚雷罐車罐號識別和定位的電路框圖。

　　關(guān)鍵詞:魚雷罐車;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);射頻識別;RSSIWireless Sensor Network Application Study in Torpedo Tank Car

　　HUANG Lian-ying1, HUANG Jin-ping2, QIAN Ya-ping3

　　(1.Anhui University of Technology, Computer College, Maanshan 243032,China; 2. Anhui University of technology, Computer College, Maanshan 243032; 3.Magang Stock Company, Maanshan 243032, China)

　　Abstract: This article discusses the ironworks torpedo shipping hot metal tank number identification and location problems,describes a method using wireless senor technology and radio frequency identification technology to implement this function in basic methods,illustrates the wireless sensor network based on RSSI study on advanced technologies,a combination of triangle centroid algorithm, Emulation making use of the simulated implement of NS2 to have been in progress to this algorithm, effectively improve the RSSI measurement accuracy of the method to achieve torpedo tank number identification and location of the circuit diagram.

　　Key words: torpedo tank car; wireless sensor network; radio frequency identification; received signal strength indicator

　　傳統(tǒng)的煉鐵工藝采用魚雷罐車裝運鐵水。裝載鐵水前,要求魚雷罐車停放到出鐵場擺動溜槽下部的受鐵位置,并上報魚雷罐車的編號。國內(nèi)多采用人工管理、現(xiàn)場觀察的調(diào)度方式實現(xiàn)魚雷罐車的定位操作和控制,并采用人工方式讀取刻印在魚雷罐車編號。但由于除鐵場擺動溜嘴(殘鐵罐)附近環(huán)境極其惡劣,連續(xù)的人工觀察存在一定的困難,一般操作工根據(jù)自己的生產(chǎn)經(jīng)驗進(jìn)行間斷性監(jiān)控,存在有溢罐事故發(fā)生。并且不同魚雷罐車的罐內(nèi)殘渣量存在差異,每個罐車可以裝載的鐵水量不同,獲取魚雷罐車的編號也是要實現(xiàn)的目標(biāo)。因此,利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RFID技術(shù),設(shè)計一種冗余定位系統(tǒng),實現(xiàn)魚雷罐車的精確定位和罐號識別具有十分重要的意義。

1 RFID 與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)及融合

1.1 RFID 技術(shù)簡介

　　RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[1],識別工作無須人工干預(yù),作為條形碼的無線版本,RFID技術(shù)具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如[6]等優(yōu)點。而且,RFID技術(shù)還支持識別高速運動物體及同時識別多個射頻標(biāo)簽[2]。具體來說,RFID標(biāo)簽其實是一顆IC芯片安裝上微型天線的組合,在IC芯片中寫入的數(shù)據(jù),讀寫器通過無線電波接收信號,然后再通過讀寫器的處理器進(jìn)行解碼,這樣就實現(xiàn)了射頻識別。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[3-4](Wireless Sensor Network, WSN)是一種綜合了傳感器、嵌入式計算機(jī)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等多領(lǐng)域的綜合技術(shù),由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感節(jié)點組成,通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息,并發(fā)送給觀察者。

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點易于部署,不需要事先確定或精心設(shè)計節(jié)點的位置,甚至可以任意放置,部署維護(hù)成本較低,靈活性很高。由于節(jié)點廉價,為了獲得較高的觀察精度,可在網(wǎng)絡(luò)作用范圍內(nèi)布置大量的節(jié)點。有時為了防止部分節(jié)點失效而影響整個系統(tǒng)的功能,可布置大量的冗余節(jié)點。因此,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般具有較好的健壯性。

1.3 RFID 與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)融合

　　由于傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不關(guān)心節(jié)點的位置,對節(jié)點一般不采用全局標(biāo)識,RFID 技術(shù)對節(jié)點的標(biāo)示有著得天獨厚的優(yōu)勢,將兩者結(jié)合共同組成網(wǎng)絡(luò)可以相互彌補對方的缺陷。另一方面,RFID標(biāo)簽的有效作用距離較近,將有效監(jiān)測半徑為 100m的Zigbee的WSN和RFID結(jié)合起來形成WSID網(wǎng)絡(luò),在跟蹤、定位方面有諸多優(yōu)勢。這樣,既可以將網(wǎng)絡(luò)的主要精力集中到數(shù)據(jù)上,當(dāng)需要考慮到某個具體節(jié)點信息的時候,又可以利用RFID的標(biāo)識功能輕松地找到節(jié)點的相關(guān)信息。

2 RSSI定位技術(shù)及其算法

2.1 RSSI技術(shù)

　　RSSI(Received Signal Strength Indicator)是一種基于無線信號處理的測距定位技術(shù)[1],它通過信號在傳播中的衰減來估計節(jié)點間的距離。RSSI的定位方法的基本原理是已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強(qiáng)度,根據(jù)接收節(jié)點收到的信號強(qiáng)度計算出信號的傳播損耗,并利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯�傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離,從而通過計算得到節(jié)點的位置。

2.2 三邊測量法

　　假設(shè)3個參考點的坐標(biāo)分別為信標(biāo)節(jié)點ai(xi,yi), aj(xj,yj), ak(xk,yk),待確定位置的節(jié)點坐標(biāo)為o( x , y),該節(jié)點到各個參考節(jié)點的距離分別是di, dj, dk,根據(jù)二維空間距離計算公式, 可以獲得一個非線性方程組,如式(1):

　　采用線性化方法來求解, 可以得到待定位置節(jié)點的坐標(biāo)公式,如式(2):

2.3 質(zhì)心及其計算公式

　　質(zhì)心是指多邊形的幾何中心,是多邊形頂點坐標(biāo)的平均值。由a1(x1,y1),a2(x2,y2),…,ak(xk,yk)這k個點組成的多邊形的質(zhì)心o(x,y)計算公式,如式(3):

2.4 定位算法過程

　　1) 信標(biāo)節(jié)點周期性發(fā)送自身信息: 節(jié)點ID、自身位置信息;

　　2) 普通節(jié)點在收到信息后, 只記錄同一個信標(biāo)節(jié)點的RSSI均值;

　　3) 普通節(jié)點在收到超過閾值n個信標(biāo)信息后, 對信標(biāo)節(jié)點依其RSSI值從大到小排序, 并建立RSSI值與節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點距離的映射,建立3個集合。

　　信標(biāo)節(jié)點集合:Beacon_set{a1,a2,…,an};

　　未知節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點距離集合:

　　Distance_set={d1,d2,…,dn},d1

　　信標(biāo)節(jié)點位置集合:Position_set{(x1,y1,),(x2,y2),…,(xn,yn)}

　　4) 采用RSSI值大的前幾個信標(biāo)節(jié)點進(jìn)行自身定位計算:

　　節(jié)點到信號源的距離越近,由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差越小。信標(biāo)節(jié)點對未知節(jié)點位置都有影響力,RSSI越大的信標(biāo)節(jié)點影響力越大,對節(jié)點位置有更大的決定權(quán)[5]。所以在Beacon_set中優(yōu)先選擇RSSI值大的信標(biāo)節(jié)點組合成三角形集合, 這是提高定位精度的關(guān)鍵。起三角形集合為:

　　Triangle_set={(a1,a2,a3), (a1,a2,a4),…, (a1,a3,a4),…}

　　對Triangle_set中任一個三角形(ai,aj,ak) , 采用三邊測量法的計算方法,先用式(2)求出由信標(biāo)節(jié)點(ai,aj,ak)確定的未知節(jié)點(ai',aj',ak'),再用式(3)對(ai',aj',ak')進(jìn)行質(zhì)心運算,得到oi(xi,yi);對Triangle_set 中的每個三角形重復(fù)上述計算,可以得到未知節(jié)點近似位置坐標(biāo)集{o1,o2,…,om};

　　對近似位置坐標(biāo)集{o1,o2,…,om}再次求質(zhì)心o(x,y),并將結(jié)果與魚雷罐車須停車的指定位置想比較,如果在允許的誤差范圍內(nèi),則　　發(fā)出停車命令。否則,繼續(xù)執(zhí)行上述定位算法過程。

2.5 仿真實驗及分析

　　利用NS2工具,結(jié)合C 編程,對質(zhì)心算法進(jìn)行了仿真,并對三角測量與質(zhì)心相結(jié)合的算法進(jìn)行了仿真。傳感器區(qū)域為100m*100m,信標(biāo)節(jié)點位于受鐵線附近,未知節(jié)點(魚雷罐車位于受鐵線上)。

　　由圖1可知,當(dāng)信標(biāo)節(jié)點的數(shù)目為22時,三角測量與質(zhì)心算法相結(jié)合的效果最明顯,根據(jù)實際情況,可大大減少平均誤差。

3 功能設(shè)計及原理

3.1 MSP430單片機(jī)

　　MSP430單片機(jī)[6]是TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的混合信號控制器,可使用電池長期運行,并可以在低于6微秒的時間內(nèi)從低功耗模式迅速喚醒。結(jié)合TI地高性能模擬技術(shù),MSP430系列單片機(jī)集成了較豐富的功能模塊:WDT,模擬比較器,串口0/1,硬件乘法器,液晶驅(qū)動器,ADC,12位DAC,DMA,P1-P6端口,基本定時器等。這些使得MSP430單片機(jī)非常適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

3.2 射頻收發(fā)器CC2430

　　CC2430芯片[7]是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee協(xié)議的解決方案,它延用了CC2420芯片的架構(gòu),在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。CC2430擁有1個8位8051MCU、8KB的RAM、最大可達(dá)128KB的Flash,還包含有AD轉(zhuǎn)換器、定時器、AES128協(xié)處理器、看門狗、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路及21個可編程I/O引腳。

　　CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn),工作時的電流損耗為27mA,在接收和發(fā)射模式下的電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間特性使得它特別適合在本應(yīng)用場合下運行。

3.3 移動節(jié)點設(shè)計

　　安裝在魚雷罐車上的節(jié)點簡稱為移動節(jié)點。移動節(jié)點由無線傳輸模塊、微控制模塊、RFID模塊及電源模塊組成,如圖2。

　　無線傳輸模塊完成射頻信號(簡稱RF)的發(fā)送和接收;微控制模塊主要操作無線收發(fā)芯片,對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對節(jié)點電源進(jìn)行管理,合理地設(shè)置待機(jī)狀態(tài),以節(jié)省能量消耗,延長節(jié)點使用壽命;RFID模塊主要是接受參考節(jié)點中閱讀器的讀取,為罐號提供標(biāo)識。

　　圖1中,微控制器模塊還通過檢測無線傳輸模塊接受信號的大小、通過和參考節(jié)點的聯(lián)合計算獲取魚雷罐車的當(dāng)前位置,將通過無線傳感模塊的通訊實現(xiàn)計算數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。

3.4 參考節(jié)點設(shè)計

　　參考節(jié)點安裝在地面固定位置,基本的參考節(jié)點由無線傳輸模塊、微控制模塊、閱讀器和電源組成,如圖3。

　　圖3中,由于參考節(jié)點設(shè)置在地面,不像移動節(jié)點需要控制電源的使用并且位置固定,可以充當(dāng)定位時的參考(信標(biāo))節(jié)點,按照信號傳輸及距離測試要求,需要布置3-4個這種參考節(jié)點(含備用節(jié)點),其中一個為主參考節(jié)點,其他為輔助參考節(jié)點,輔助參考節(jié)點不需要安裝閱讀器模塊;主參考節(jié)點的微控制器通過閱讀器讀取移動節(jié)點的射頻標(biāo)識(罐號),喚醒輔助參考節(jié)點和移動節(jié)點的微控制器工作,進(jìn)入到距離測試、計算的定位狀態(tài);魚雷罐車到達(dá)停車位置的距離通過大屏幕LED顯示提示機(jī)車司機(jī),通過聯(lián)合計算、測取的距離及閱讀器獲取的魚雷罐車罐號將由微控制器通過有線通訊轉(zhuǎn)發(fā)到煉鐵廠的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。

3.5冗余定位的設(shè)計

　　為保證魚雷罐車進(jìn)入煉鐵廠出鐵場擺動溜槽下部的受鐵位置的準(zhǔn)確性和可靠性,需要設(shè)置冗余定位系統(tǒng)。在魚雷罐車的車頭、車中、車尾位置安裝3個讀取距離為100mm的RFID標(biāo)識,并將主參考節(jié)點安裝在停車位置;當(dāng)魚雷罐車經(jīng)過主參考節(jié)點的閱讀器時,隨魚雷罐車的運行方向,閱讀器也將依次讀取到魚雷罐車上的這個標(biāo)識,實現(xiàn)了魚雷罐車的精確定位,同時也為前述的定位系統(tǒng)提供距離計算、校正的依據(jù)。

4 結(jié)束語

　　基于RSSI的定位技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一,將RSSI測量方法與三角形質(zhì)心算法相結(jié)合可有效的減小RSSI的測量誤差。綜合利用無線傳感技術(shù)與RFID技術(shù),實現(xiàn)魚雷罐車的罐號識別和冗余定位,可以有效地解決現(xiàn)場需要處理的問題,也是一種應(yīng)用新技術(shù)的有益嘗試;作為一種在現(xiàn)場運行的解決方案,我們還有大量工作要做。

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[7] CHIPCON.CC2430 PRELIMINARY data sheet(rev.1.03)SWRS036A[M]:CHIPCON,2005.