基于CC2431的井下人员定位系统设计

祝开艳 李松松 曹立杰 姜凤娇

摘要：为了满足井下人员定位的需要，设计了一种基于CC2431的无线定位系统。采用CC2430作为定位参考节点，带有定位引擎的CC2431芯片作为跟踪定位节点，跟踪节点利用从参考节点处接收到的信号强度估算与各参考节点之间的距离，利用定位算法计算出自身位置坐标，并发送给监控中心。本文设计了定位系统模型，并在传统的三角质心算法基础上提出了改进的加权三角质心算法，从而减小定位误差，提高定位精度。实验表明该方法能够比较准确地获取井下人员的位置，为管理人员及时掌握井下人员情况提供依据，且成本较低，实用性较强。

关键字：传感器网络；无线定位；CC2431；信号接收强度指示器（RSSI）

中圖分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（a）-0000-00

0 引言

随着社会发展和无线传感器网络技术及通信技术的发展，基于位置的服务（LBS）越来越重要[1]。我国煤矿资源丰富，但是煤矿井下环境复杂，事故频有发生。为了保障井下人员的安全，对他们在井下的位置和情况的及时掌握非常重要[2]。目前，已有的井下人员定位系统的功能比较全面，但结构复杂，成本昂贵，只适合大规模煤矿生产企业应用，对于中小规模煤矿来说成本高昂，难以普及[3]。为此，本文设计了一种基于CC2431的无线传感器定位系统。该系统采用基于RSSI的加权三角形质心定位算法，实现对井下人员的定位。CC2431芯片具有测量RSSI（received signal strength indication）的功能，无需添加额外的硬件设备来进行精确的时间同步和角度测量，降低了成本，且系统的可扩展性良好[4]。

1 系统模型

基于CC2431的井下无线定位系统主要包括参考节点、跟踪定位节点、网关三大部分。其中网关作用相当于ZigBee的协调器，可由CC2430担任，负责整个无线定位网络的协调服务，即将跟踪节点结算出来的位置坐标发送给监控中心（上位机）。参考节点为已知位置坐标的节点，可用若干CC2430模块实现。参考节点的位置部署可随机也可固定，由用户自己决定，一旦部署完成后，节点的位置就不会发生改变。跟踪定位节点为移动节点，由CC2431模块实现，其位置是随跟踪对象位置的变化而变化（跟踪节点由井下人员佩戴），位置坐标由CC2431的定位引擎通过接受参考节点的RSSI值并经过定位算法计算得到。在本定位系统中，定位精度与参考节点数量有关，一般而言，参考节点越多，定位精度越高。

2 定位算法

RSSI（received signal strength indication）是一种常见的低成本测距技术。其基本原理是根据接收信号强度将无线信号的传输损耗转换成节点间距离[5]。RSSI值是信号发射节点与接收节点之间距离的函数，其计算公式如下[6]：

（1）

式中：RSSI值为信号能量平均值，d为发射节点与接收节点之间的距离，n反映了在具体的传播环境下信号能量随收发器间距离增加而衰减的速率，A为天线全向模式下距发射节点1米处接收信号的RSSI绝对值，与信号发射强度有关。由CC2430/CC2431测得的RSSI值具有100 dB的动态范围及很好的线性。

设参考节点A，B，C，跟踪定位节点D，根据RSSI模型计算出的节点A和D的距离为 ；节点B和D的距离为 ；节点C和D的距离为 。分别以A，B，C为圆心，以 、 和 为半径画圆，可得交叠区域，如图2所示。计算三圆交叠区域的3个特征点的坐标，以这三个点为三角形的顶点，特征点即为三角形质心。如图3所示，特征点为E，F，G，特征点E点的计算方法为：

（2）

式中， 和 （ ）分别为各参考节点的横坐标和纵坐标。同理，可计算出F点、G点坐标 ， 。计算由E、F、G三点构成的三角形的质心就近似得到了定位节点的位置信息。在图3中，实际点为D；三角形质心算法出的估计点为M；三边测量法算出的估计点为N。可知，三角形质心算法的准确度更高。

图2 基于RSSI的定位算法 图3 三角形质心定位算法

通过分析发现，三角形质心算法没有反映出参考节点对跟踪定位节点位置信息的影响大小。因此可以通过加权因子的形式，使参考节点对未知节点产生不同的决定权，反映参考节点对跟踪定位节点位置信息的影响力大小。其数学公式如下：

（4）

其中， 是用加权三角质心算法所求出的质心坐标（即为定位节点的坐标）。 ， ， 分别为定位节点获得的定位节点与3个参考节点之间的距离值。加权因子 ， ， 反映了离定位节点距离越近的参考节点在位置信息计算中所占权重最大。

定位系统的定位效果可用定位误差来反映。假设真实的定位节点位置坐标为 ，而经过定位算法计算得到的定位节点坐标为 ，定位误差定义为：

（5）

3 实验结果及分析

本系统的网关（协调器）将CC2430＼CC2431的定位数据可以由实时在线仿真器通过USB接口直接连接到电脑，实现对矿井下人员的实时定位跟踪。表1给出了分别采用三角质心定位算法和加权三角质心定位算法的定位误差。从表1不难看出，采用加权三角质心定位算法的定位误差较小，说明定位坐标越接近节点真实坐标，定位精度越高。

为了保障矿井下人员的安全，对他们在井下的位置和情况的及时掌握，本文设计了一种基于CC2431的井下人员定位系统。该系统以CC2430作为参考节点，CC2431作为跟踪定位节点，井下人员的位置坐标由CC2431的定位引擎通过接收参考节点的RSSI值并经过定位算法计算得到。为了提高定位精度，本文还设计了一种基于RSSI的加权三角形质心定位算法。最后，通过实验验证了该定位系统的实用性和有效性。该定位系统在室内无线定位领域具有一定的应用前景。

参考文献：

[1]吕源，李军. 基于CC2431的室内定位系统[J].现代电子技术，2009，32（2）：103-105.

[2]R. M. Vaghefi， M. R. Gholami and E. G. Strom. RSS-based sensor localization with unknown transmit power[C]. Proceedings of international Conference of Acoustics，Speech， Signal Process（ICASSP'11）， Czech Republic， 2011：3284-3287.

[3] 李俊霞，陈峰. 井下人员定位系统的设计与实现[J].河南师范大学学报（自然科学版）， 2013，41（2）：165-169.

[4]G. Wang and K. Yang. A New Approach to Sensor Node Localization Using RSS Measurements in Wireless Sensor Networks[J]. IEEE Transactions Wireless Communication， 2011， 10（5）：1389–1395.

[5]叶阿勇，许力，林晖.基于RSSI的传感器网络节点安全定位机制[J].通信学报，2012，33（7）：135-142.