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“基于无线传感网络的核电站人员定位系统设计”阶段性研究报告 金师兴 李永强 刘思綦一、项目名称基于无线传感网络的核电站人员定位系统设计二、项目综述无线传感网络（Wireless Sensor Network）技术得到迅猛飞速的发展，特别是其中的室内定位技术，人们对其的研究也日渐迫切。相较于室外定位技术，人们对室内定位技术提出了更高的精度要求。然而由于室内环境的复杂性，室内定位技术并不如人意。近年来，伴随着低成本、低功耗Zigbee技术的发展，基于Zigbee技术的无线传感网络得到了广泛的关注和应用。本项目以核电站作为研究应用场景，根据核电站生产作业的特殊性，采用基于Zigbee的无线传感器网络技术实现核电站人员定位，完成对核电站人员分布实时监控，在出现紧急情况的时候能够快速展开救援。通过基于Zigbee的无线传感网络将人员位置参数实时地传输到核电站救援系统，进行实时监测，并在危险情况下及时报警并通知作业人员；事故发生后，辅助快速制定救援方案，减少人员伤亡。本项目研究了Zigbee技术在室内定位中的应用。首先在无线传感器网络定位技术国内外研究现状的基础上，分析无线传感器网络体系结构的特点，研究学习了Zigbee通信协议的基本内容。其次，基于实验大量实测数据，探讨当今主流的几种无线传感器网络定位算法及其性能评价标准和分类方法。包括定位误差范围，以及RSSI(Received Signal Strength Indication)测距和影响RSSI的因素。提出了相应的改进方案，较为有效地提高了系统定位精度和抗干扰能力。最后，本项目在三个平台（PC、因特网、ARM嵌入式）分别开发设计了针对核电站的无线传感器网络定位系统，并运用于实践，得出了实验结论，并分析和解决了目前存在的问题，提出了下一步的工作展望。三、课题的提出3.1 课题来源与背景而在传感器网络中，位置信息对于传感器网络而言则是非常重要的。同时Zigbee 技术作为一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本等特点的双向无线通信技术，可以嵌入到各种设备中，其PHY层和MAC层协议为IEEE 802154协议标准。Zigbee技术的出现为室内定位提供了一个新的方法，使得室内定位技术得到快速地发展。本项目正是基于这种技术的基础上。3.2 课题研究内容与意义3.2.1 研究内容本项目深入研究无线传感器网络定位相关理论和ZigBee协议，掌握了其开发流程。研究的主要内容就是根据应用环境的特点，对定位算法做了进一步改进，提高无线传感器网络定位算法的精度并用在PC、WEB、ARM9三个平台设计实现相关的定位系统。3.2.2本项目的创新之处(1)有效降低RSSI收集过程中偶然性误差。传统的基于均值模型优化RSSI算法，只是简单将采集的大量数据进行均值平均，无法去除偶然性误差，但这些误差有时严重影响定位精度。本项目通过结合实际测量对比各类算法的优缺点，选出最符合实际使用的算法并稍加改进，有效降低了偶然性误差，提高了定位精度。(2)设计实现了多平台定位技术，在多个平台实现了定位传感信息显示系统，特别是网页和嵌入式应用程序，前者可以远程监控，后者可以在较低功耗的情况下运作一个较长的时间周期。(3)可扩展性较强。在无线传感器中，定位信息只是其中一个方面，如果我们需要采集其他信息，在本项目中我们利用相应的传感器采集包括温湿度在内的传感信息，扩展了系统的功能，实现更大化的监控。3.2.3 研究意义无线传感器网络作为一种新的技术，与其他网络例如Internet网络有较大的不同，它可以采集、获取和处理现场信息。而要利用传感器节点的感知信息，就必须确定节点所处的位置。在无线传感器网络大部分的应用场合中，监测所收集到的最重要的信息就是该事件的位置，如在森林火灾监测中，我们除了知道温湿度等环境信息外，必须知道该温度发生变化的具体位置，才能确定火灾发生的具体位置，从而指示逃生通道等指挥救援和火灾扑灭。本项目主要考虑在核电站中的应用，考虑到核电站的特殊性，我们对员工的位置信息进行实时监控，对员工的行为进行管理，同时一旦发生灾害我们可以通过确定位置信息实施救援。节点定位技术是无线传感器网络进一步发展和大规模应用的基础。因此，要实现无线传感器网络的多种应用，定位技术作为最关键的技术，对其研究具有重要的意义。四、项目已完成工作介绍4.1室内定位算法分析本项目在对比了多种定位算法后采用了质心加权定位算法，该算法的中心思想是未知节点以所有在其通信范围内的锚节点的几何质心作为自己的估计位置。优点是计算量较小，也可以得到较小的定位结果误差，属于较为常用的一类定位算法。对于n个固定锚节点，待定位节点到各节点的距离分别。首先，只考虑两个节点，假设两质点的质心在，到的距离分别为，显然存在，由此可得：推广到个点则可得到公式：权值为。4.2 无线传感器节点程序设计L:传感节点 S:Sink节点 A:锚节点 P:带定位节点消息（1）：发送节点：锚节点 目标节点：Sink节点数据：消息标志Anchor_Discovery、锚节点标号、二维锚节点坐标，共4个数据位消息（2）：发送节点：Sink节点 目标节点：锚节点数据：消息标志AnchorIsDiscovered、接收到的锚节点的标号，共4个数据位消息（3）：发送节点：锚节点 目标节点：待定位节点数据：消息标志Report、锚节点标号、二维锚节点坐标，共4个数据位消息（4）：发送节点：待定位节点 目标节点：Sink节点数据：消息标志Broadcast、接收的锚节点二维坐标及信号强度、共18个数据位消息（5）：发送节点：传感节点 目标节点：Sink节点数据：消息标志Sreport、拓展地址、二维坐标、节点ID、温度高低位、湿度高低位、光照值共18个数据位待定位节点消息接收机制消息发送事件触发条件：定时器计时4秒钟或收集到3或4组合法数据。前三组数据合法条件：这三组数据可构成未退化的三角形。第四组数据合法条件：能与前三组数据构成一个矩形。图4.1 传输机制示意图4.3 定位传感显示平台系统设计4.3.1 PC端编写无线传感器定位系统上位机监控软件主要为了便于通过个人电脑监控并显示人员定位信息和环境变化信息等，对于整个定位系统的调试也有着重要的作用。该软件是在Windows平台下使用Microsoft Visual Studio2008开发的，主要功能包括定位显示、数据库显示、串口通信、环境变化折线图显示等。4.3.1.1 功能结构(1)选择串口及基本参数可实现对串口号、波特率、采样间隔的选择和对接收串口信息的开始与终止的控制。（2）查看数据库信息可以查看任意时刻接收到的所有传感节点采样得到的温湿度和光照数据以及自身节点的坐标、ID等。（3）定位实时监测锚节点（红色）、传感节点（蓝色）位置固定不变，待定位节点（绿色）随监测对象位置的改变实时变化。（4）环境参量折线图显示根据接收到的传感信息实时动态显示温湿度和光照的变化，用户可选择传感节点ID和温度、湿度、光照来分别显示。图4.2 定位显示界面4.3.2 WEB端1.功能结构通用WEB 应用系统分为欢迎部分和功能部分。欢迎部分展示系统欢迎页面、系统使用说明。功能部分主要包括：定位显示、传感器、折线图、锚节点信息、定位信息、简介六个功能模块。欢迎部分：（1）欢迎页面welcome.jsp访问系统的首页面。（2）使用说明页面index.jsp对当前系统的使用方法进行简要说明，介绍测点定义自动识别和数据实时显示功能的使用方式。（3）退出页面out.jsp退出系统跳转页面。功能部分：test.html系统主页面（1）定位显示选项卡pos.jsp在基地地图上显示现有串口能接收到数据的锚节点坐标数据表、待定位节点的坐标、待定位节点的移动动态、当前鼠标坐标以及范围内指定锚节点信息。（2）传感器选项卡sensor.jsp显示出当前最新10条从串口读到的传感节点数据：温度、湿度、光强、坐标。可根据编号勾选选择性显示特定编号数据。（3）折线图选项卡diagram.jsp绘出出最近10分钟内从串口读到的传感节点数据的折线图和柱状图。（4）锚节点信息选项卡anchor.jsp在基地地图上单独显示现有串口能接收到数据的锚节点。（5）定位信息选项卡locate.jsp显示待定位节点数据表。（6）简介页面intro.jsp项目背景和功能的简要介绍。2.系统架构本应用平台的开发采用了一种目前广泛流行的软件设计模式MVC模式。MVC设计模式最初由Trygve Reenskaug提出，他将应用程序根据职能的不同划分成了三部分，分别为M(Model模型),V(View视图),C(Controller控制器)。其中Model模型一般是负责转发用户请求进行业务处理；View视图主要负责将用户请求查看的数据以一定的分布形式和逻辑反馈给用户，构建页面和用户的信息交互；Controller控制器则负责调控模型和视图之间的对应关系，协调两方工作。这种结构分层能有助于将应用程序分割成不同的逻辑功能部分，构建条理明晰的组织关系，使程序设计变得更加简单、明确、模块化。本项目中MVC框架运用如下：控制器:Servlet。根据web.xml的部署找到对应Servlet后，Servlet接受用户的请求，并将请求传输给对应的jsp。模型:JavaBean。直接与数据库联系,从数据库中根据要求筛选数据。视图:jsp.采用javascript 、ajax、jquery、vml等技术从JavaBean中获得数据并对页面进行处理。3.WEB应用平台展示在开启监控后，以一秒一次的频率进行数据读取。随着鼠标移动以浮框形式显示鼠标指向在地图上的坐标，地图上离该坐标最近的锚节点的信息将会显示在锚节点信息表格下方。锚节点信息表格会按照时间先后显示数据库中接收到的锚节点信息，最多可以显示20条。地图上显示当前可接收的待定位节点和锚节点的方位，图中绿色圆点代表锚节点，红色代表待定位节点。地图下方显示当前带定位节点的ID和坐标。图4.3 定位显示页面4.3.2 ARM端1.嵌入式系统平台搭建硬件平台(1)我们选用的嵌入式设备为FL2440开发板图4.4 FL2440开发板外观软件平台ARMFL2440嵌入式应用模块设计的开发环境是基于Linux下的，因此首先要在PC机上安装Linux操作系统，在此我们使用的是虚拟机结合操作系统的方式，在虚拟机里安装Linux操作系统，更利于我们初学者学习和使用。虚拟机选用的是版本是VMware workstation9.0.2，Linux操作系统版本为Ubuntu10.04，并在Linux系统中建立嵌入式Qt程序开发环境建立2.嵌入式应用程序设计1.功能结构主要包括串口通信部分、数据库查询部分、定位显示部分、温湿度与光照信息显示部分和四个功能模块。定位显示模块显示定位场地地图，锚节点（黄色）、待定位节点（红色）、传感节点（绿色）。锚节点和传感节点一旦经过服务端确认就会固定显示在地图，待定位节点可实时变换位置。图4.5 定位显示五、项目工作总结项目主要完成的研究工作和成果如下：1.详细研究了当前ZigBee技术的研究价值、无线传感器网络在国内外的研究和应用情况。2.从Zigbee技术发展历程、设备类型、技术特点和性能优点等方面对ZigBee技术进行了研究学习。对基于IEEE 802.15.和Zigbee联盟制定的协议标准的ZigBee协议栈结构进行分析，还进一步学习了ZigBee网络的拓扑结构。3.对几种无线传感网节点自身定位算法进行了系统的研究分析。包括RSSI的基本概念和选取策略。4.基于PC端、WEB端，ARM板三个平台建立了核电站人员定位管理监测系统。 5.以基地二楼作为实验环境，进行了节点的部署，对定位系统进行了测试，通过已完成的PC端、WEB端、ARM板嵌入式服务器界面观测实测数据并分析实验结果，进一步对系统设计和功能进行调整。使得完成后的定位系统可以有效监控当前节点信息，实现项目要求的定位功能。六、项目研究展望和下一步工作计划目前我们已基本实现了项目的基本要求，但不少工作扔有待完善和改进，需要进一步研究的工作主要分以下几个方面：1.定位算法的进一步优化。在目前的研究中，定位精度上的误差还比较大。需要对定位算法进行进一步的深入研究，在保证部署节点尽量少的情况下提高定位精度，减小定位点和实测点的坐标误差。2.系统功能的进一步丰富。当前阶段虽然实现定位系统的基本功能，但还无法满足现实核电站人员定位系统的要求。在实际中，除了能够反馈人员分布情况以外，还需要能对安全程度、安全隐患进行监测和判断，在发生险情时能够警告核电站内部工作人员，指明危险区域和逃生方向，并向外部救援人员提供报警和救援指导。因此，还需要尝试逐步添加安全监控、灾难预警、拟定救援线路的等一系列功能。并可尝试向物联网方向拓展，直接由系统进行自动