基于WSN的3D定位系统实现方法研究∗

（中国卫星海上测控部 江阴 214434）

1 引言

无线传感器网络技术（WSN）是物联网技术的一种，是综合了包括传感器技术、现代网络技术及无线通信技术在内的多种技术于一体的感知及传输系统。WSN能够实时监测、感知并采集对象信息，其主要的技术特点有大范围、低成本、高稳定性、灵活布设等。因此，在一些对节点体积有特殊要求或者难于布线的区域有着难以替代的优势［1］。

2 系统构成

本文提出的基于WSN的船舶3D定位该系统主要由系统数据处理中心，由微基站和网络组成的数据交换平台，以及定位微基站组成［2］。

1）数据处理中心

数据处理中心包括用于处理定位数据的算术服务器和用于系统管理的管理服务器。通过数据交换网络，可以以三维方式计算和显示收集的数据。

2）数据交换平台

数据交换平台包括数据交换网络和微基站设备。子系统中的数据交换网络用于收集微基站转发给服务器的数据信息进行处理；微基站在数据交换平台中起作用，该数据交换平台收集定位终端发送的数据信息，并将其转发给数据交换网络。

3）客户端

终端定期释放定位或感知信息，并通过基础网络转发给定位服务器进行处理；在紧急情况下，持有人会主动发布遇险信息，并将其通过基本网络转发给管理中心进行处理。

3 定位技术选择

3.1 定位方式选择

根据定位原理，目前主要有三类：RSSI定位方法（场强定位方法），TOA/TDOA（时差定位方法）和AOA（角度定位方法）［3］。

1）基于场强测量的定位使用在已知点接收到的信号强度与到发送点的距离之间的反比关系。通过测量已知点处接收信号的场强，可以根据已知信道衰落模型进行估计。可以根据某些已知算法与多个已知点之间的距离，通过某种算法来估计已知点与发送点之间的距离。工作原理如图1所示［4］。

图1 RSSI定位机理图

2）基于传播时延测量的定位。通过测量无线电波从发射点到接收点的传播时延，可以知道它们之间的距离。因此，可以通过某种方法来计算未知点的大概位置。

3）基于信号到达角度的定位方法。主要是在通过己知点接收机天线阵列测出发射电波的入射角，构成一条方位线。利用多个已知点的AOA测量，可以画出多个方位线，其交点为测试位置。

首先，从子系统的功能要求开始，3D定位系统需要能够同时实现无线定位和通信功能目前，采用AOA方法的定位系统都无法实现通信功能。

从定位要求的角度来看，系统需要采用相对较低的成本来实现不需要高精度的定位要求。与使用RSSI和TOA/TDOA的定位方法相比，TOA/TDOA定位系统通过测量时间进行测量。为此，为了获得具有米级误差的定位精度，测量精度需要达到纳秒级，这导致更高的设备复杂度，使得定位的成本非常高。

3.2 无线通信技术比较

近年来，各种短程无线通信协议和相关产品不断出现。主要技术系统包括ZigBee，Wi-Fi，蓝牙和UWB等，各种技术对比如表1所示。

表1 近距无线通信体制技术比较表

通过以上技术体制的特点，能够满足船舶3D定位系统的无线技术体制比较适合的就是ZigBee技术体制和Wi-Fi技术［5～6］。

由于通用型的Wi-Fi设备室是无法实现在多个AP设备上同时注册的只有专用于Wi-Fi定位的Wi-Fi才能够实现。另外，由于Wi-Fi的频率特性，使得在建筑物内实现Wi-Fi无干扰的信号全覆盖定难以实现；Wi-Fi的发送功率较大，会对其他设备进行干扰较大，同时也容易被其他设备干扰，而ZigBee技术由于没有以上的问题，所以在船舶这种环境内更为适用。

4 数据处理过程

4.1 定位信息获取

定位功能的目的是通过处理接收到的定位信息来完成定位终端的三维坐标值的计算，并存储终端的位置信息以供以后查询［7］。

1）定位微基站设备接收到传感器定位终端发送的数据后，根据数据类型标识进行判断处理。对于定位和传感器数据，将其转发到数据处理模块以进行进一步处理，对于非定位数据，将其转发到处理的数据转发模块。

图2 微基站定位数据上报流程图

2）数据处理模块根据接收的定位数据提供的时间片、ID信息，通过处理接收信号，得到RSSI和LQI定位信息。

3）定位信息经过封装处理，分别发送到归属定位、管理服务器功能组件对应的服务器。

4.2 定位信息的预分析

定位系统收到微基站设备转发的定位信息后，首先过滤掉不可用的定位信息，然后迭代信号以获得可用的定位信息［8～9］。

具体为以下实现过程：

1）定位系统收到通过微基站设备转发的定位信息；

2）对该信息进行校验运算，对于通过校验运算的信息，发送到滤波模块进行滤波运算，对于不合格数据则舍弃；

3）对于通过校验运算的定位信息，则对一帧内的三组信息进行滤波运算，对于离散性过大的数据舍弃，合格数据则进行迭代运算；

图3 定位信息预处理流程

4）由于通过校验运算以及滤波运算以后，部分不合理数据被舍弃，导致部分时间片上定位信息的数据量不足，所以通过迭代的方式产生合理数据，间插到定位信息中去；

5）将处理完的定位数据发送到运算模块进行运算处理。

4.3 位运算

以基本的多点定位操作为例，每个功能模块之间的信息处理流程如图4所示。

图4 定位服务器业务分析流程

具体实现步骤：

1）对预处理后的有效定位信息进行现场处理，提取时间片，RSSI，LQI等与定位有关的数据，并发送给单点计算器进行计算处理；

2）根据定位数据，进行单点距离计算，得到定位终端与微基站设备之间的相对距离，并将该距离数据发送至多点相对位置计算器进行处理；

3）多点相对位置算术单元基于距离数据，即校正后的距离数据和角度数据，从单个微基站设备计算定位终端的相对坐标，并将坐标数据发送到用于坐标处理的3D坐姿标准；

4）经过3D坐标转换后，可获得空间中移动坐标的特定平面坐标数据，再根据空间信息获得定位终端的3D坐标值；

5）3D坐标值将被位置服务管理模块存储以用于后续的管理调用。

4.4 位置值进阶处理

将计算出的定位终端的位置值与先前的位置值进行比较，以判断位移的合理性。进阶处理后的位置值将与时间戳一起存储在数据库中，授权用户可以访问定位系统以实时或历史记录查询定位终端的位置。

5 软硬件设计

5.1 硬件构成

5.1.1 微基站

该设备由电源模块，应用处理器，二层交换以太网，光电转换单元，存储器，FLASH，射频处理模块组成，硬件结构如图5所示。

图5 微基站结构框图

其主要具备的功能：完成ZigBee完成无线信号的处理功能；完成以太网信号的光电转换；完成以太网数据的内部交换；提供提供以太网用户接口；提供Wi-Fi无线宽带数据的接入；通过本地开关能够关掉本模块。

5.1.2 定位单元

定位单元由电源模块，JTAG复位模块，应用处理器，64M FLASH模块，无线模块等组成。如图6所示。

图6 设备人员定位单元原理框图

定位终端的功能：定位信号发送功能，定位终端会定期发送可用于定位的无线模型；一键报警，定位终端可以通过定位终端上的报警键快速发送报警信息。

5.2 嵌入式软件设计

定位微基站的嵌入式软件架构无线芯片处理模块，操作系统内核模块，库模块，硬件驱动管理模块和应用模块，如图7所示。

图7 定位微基站软件结构

微基站的嵌入式软件在硬件上分为两部分，一部分嵌入在无线芯片的处理器中，主要完成协议协议栈的处理，并完成管理各种射频参数（信道，发射功率，发射频率等）；另一部分嵌入在应用处理器中，嵌入式Linux操作系统，完成基础无线设备驱动程序，网络层驱动程序和数据包处理功能，其内部库文件完成加密，身份验证和sqlit小型数据库管理，其硬件管理主要完成无线协议的管理和数据寄存器的存储管理，其应用层主要实现数据包分析和转发路由。

5.3 定位系统三维呈现

船的3D定位系统以三维图形格式显示船只的形状。同时，在三维图形中以不同的方式标记设备，人员和系统设备的位置。同时，每个甲板的结构布局都显示在平面上。当人员或设备位于建筑物中时，相应的点将显示在监视室的屏幕上，并将动态地实时显示在相应的图标位置［10～12］。

6 结语

3D定位系统可以确定人员所在的实时位置；人员在紧急情况下，通过人员定位系统实现一键快速告警功能；基于人员的位置信息，可以提供考勤管理等应用功能；基于3D定位，可以实时对设备位置实时监控，防止设备失窃等，因此本文提出的基于WSN的船舶的3D定位系统设计与实现具有较强的现实意义和参考价值。