工业物联网中的节点定位研究

郑州大学西亚斯国际学院 李锐君 董素鸽



工业物联网中的节点定位研究

郑州大学西亚斯国际学院 李锐君 董素鸽

【摘要】针对工业物联网的特点，首先利用基于工业物联网虚拟令牌控制的MAC协议，采用接收信号强度多次测距的双曲线定位算法提出适用于工业物联网的定位模型。最后在硬件平台上实现节点定位，并通过定位监控软件对节点的定位运行情况进行实时监控，监控显示定位效果能满足工业物联网的要求，且工业物联网协议嵌入定位后运行稳定。

【关键词】工业物联网；定位模型；双曲线定位；实时监控

0 引言

物联网技术的快速发展，在工业测控领域中的应用得到了极大的关注［1～2］。工业物联网（ Industrial Internet of Things）是一种在数据链路层利用令牌机制实现具有实时通信传输功能的网络，用于完成工厂车间层的自动化控制系统［3］。针对工厂车间层移动对象的定位问题研究可以为其路由算法优化、网络管理以及覆盖率评估提供很大的帮助，并且节点的协同休眠以及监测节点的活动信息也需要定位技术［3］，因此工业物联网中节点定位技术成为了其研究中的一个热点。

论文工业物联网协议嵌入由锚节点基于信号场强测距和双曲线数学模型的定位算法，提出适用于工业物联网定位模型，并通过定位监控软件对节点定位的运行情况进行实时监控，监控显示定位效果能满足无线物联网的要求，而且工业物联网协议在嵌入定位后运行稳定。

1 节点定位

1.1 定位算法

根据工业物联网的特点，节点定位算法须满足以下条件：①计算量不能太复杂；②增加的设备给系统的影响最小或者不增加外部硬件设备；③低功耗。利用基于信号强度的三边测量法［4］，可以得到方程式（1），设方程中三个锚节点Ri的坐标为（xi，yi），未知定位节点的坐标为（x，y），锚节点到未知节点的距离为di为：

考虑到在相同的无线工业控制网络中，由多径衰落引起的误差具有相同的反射体而具有相关性，从而两个接收信号强度RSSI值中，误差是非常相似的。令di，1为未知节点与第i个锚节点距离差，得到式（2）。

在几何上，式（2）表现为一条双曲线，i为不同值时，式（2）成为方程组，若到达锚节点的信号为视距传输且没有测量误差，那么所有的双曲线将交同一点，即目标Tag节点的坐标（x，y），求解该方程组即能获得未知节点的估计位置。

由式（2）得：

式（3）即是式（1）的平方：

而：

式（4）减式（5）可得：

把x，y看作未知量，求解线性方程组（6）就能获得目标节点Tag的估计位置。

为简单计算，将三个锚节点置于如下坐标系统：

则：

式（6）可以简化为：

式（7）减式（8）然后消去d1可得，可得简化结果：

其中：

其中：

将（11）式代入（9）式中，即可以得到未知节点的位置（x，y）。

1.2 定位模型

工业物联网的定位模型如图1所示，假设工业物联网定位系统中有主站Sink节点和7个从站。7个从站包括1个需定位的待测节点Tag、3个锚节点（R1、R2、R3）和3个一般节点（N1、N2、N3）。

图1 定位模型

首先主从站点按照工业物联网基于虚拟令牌控制的MAC协议建立逻辑环，其中逻辑环如图1中连接各站点的带一端箭头的黑色实线所构成的封闭曲线。

图2 定位实现流程

当待测节点Tag有定位请求时，Tag广播定位测距帧Solicit_Pos；各锚节点侦听到定位测距帧Solicit_Pos立即分别获取并记录相关的定位信息，然后分别在获得令牌时通过发送单播定位信息数据包Pos_Pkt将各自记录的定位信息传送给Sink节点，从而完成测距过程。

主站Sink通过串口UART将收集到的定位相关信息交付给PC定位中心。PC定位中心依据锚节点的已知坐标位置，并根据双曲线定位算法进行计算处理，从而得到估计位置，完成对待测节点的定位。

2 定位的实现

实验环境：网关节点Sink同时也是锚节点1；另外两个锚节点Reader分别是节点2和节点3；1个待定位Tag是节点4；节点5和6是一般节点Node，定位实现流程如图2所示。

定位监控视图如图3所示，从图3上方的Location Info信息栏，可看到待测节点Tag在定位过程中，三个已知位置的锚节点实时采集信号强度值以及定位处理得到的Tag估算坐标等相关信息由此实现了定位的实时监控。

工业物联网协议嵌入定位后的实时传感数据曲线如图4所示，根据节点发来的数据包，通过解析获得节点所在位置的光强信息，然后用动态曲线描绘出来，不同节点的曲线用不同的颜色标示。从图中可看出，定位功能的加入不影响传感器数据的采集，工业物联网协议运行稳定。

3 结束语

该定位算法无需向系统中添加任何定位测量的专用设备，只需利用预先配置好的锚节点，监控显示定位效果能满足工业无线控制网络的要求，并且工业物联网协议嵌入定位后系统运行稳定。

图3 定位监控视图

图4 嵌入定位的工业物联网协议实时传感数据

参考文献

［1］Yuan Ting，Cui Shijie，Zhao Qingqi，etc. Research on the application of WIA industrial wireless technology in the substation auxiliary control system ［C］.CCC 2014 （10）﹕1528-1533.

［2］李忠峰.工业4.0核心是物联网［N］.中国财经报，2015-4-28（第003版）.

［3］LU Li，Feng Dongqin，Chu Jian.Improving the real-time performance of Ethernet for plant automation （EPA） based industrial networks ［J］.Zhejiang Univ-sci C（computer & Electron），2013 14（6）﹕433-448

［4］柳飞，鄷广增. 基于RSSI和反馈机制的无线传感器网络定位优化算法［J］.南京邮电大学学报（自然科学版）m2015.35（2）﹕111-116.

基金项目：河南省科技厅2015年重点科技攻关项目（No.152102210344）， 河南省高等学校重点科研项目（16A510033）。

作者简介：

李锐君（1982－），女，河南周口人，硕士，讲师，主要研究方向为无线通信网络，工业物联网技术。

董素鸽（1983－），女，硕士，讲师，主要研究微电子技术。