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摘要 随着电网规模不断扩大，必将增加变电站运行情况的复杂度，为规范、简化变电站工作人员的工作，保护工作人员的安全，则需要在变电站里安装人员实时定位系统。基于ZigBee无线传感器网络的人员定位技术，因其低复杂度、低功耗、低成本，目前在全球范围内引起了广泛的关注。本文将在TI公司推出的带硬件定位引擎的片上系统——CC2431的基础上，研究分析并讨论其定位原理、定位过程、定位算法及其改进，已达到使ZigBee技术能更好的应用在变电站中。
关键词 Zigbee 定位 CC2431 变电站
一、CC2431定位引擎
CC2431是带硬件定位引擎的片上系统，是基于接收信号强度RSSI的硬件定位技术，采用此技术能降低网络流量与通信延迟，实现3～5 m定位精度和0.25 m的分辨率。
ZigBee无线定位系统包括参考节点、盲节点和网关节点。盲节点即由CC2431及外围硬件构成，在系统中具有重要的作用，其关键在于定位引擎的运作，输入主要包括：二维参考坐标，RSSI值，搜索边界坐标，参数A和N，输出则为估算的盲节点的二维坐标值。
其运作过程大致如下：
1.加载参考坐标对
定位引擎需要16个坐标对[x0，y0，x1，y1，…，x15，y15]，当参考节点少于16个时，必须用0来填充以标记不适用的坐标对。
2.加载搜索边界坐标
為了减少错误和估算时间，必须输入边界坐标，按以下顺序输入xmin，xmax，ymin，ymax。可以考虑的范围在[0.00，63.75]米内。
3.加载RSSI值
与参考坐标对应，定位引擎需要16个RSSI值[RSSI0，RSSI1，…，RSSI15]，当有不使用的值时，以0作为对应位置的标记。
4.加载参数A和N
参数A是距发射端1 m处接收到的平均功率绝对值，参数N指示了信号能量随着距离的增加而衰减的速率。这两个参数可由收集到的RSSI数据运用最小二乘直线得到。A的值期望在[30，50]范围内，N的值期望在[0，31]范围内。
5.定位估算
当22个参数都写入之后，标记相应寄存器，开始运行定位算法，并输出估算得到的坐标。
二、CC2431定位算法
定位引擎的核心在于其硬件定位算法，此定位算法的原理是根据参考节点发往盲节点的信息包，从中选取前三个最大的RSSI，结合相应参数由此计算对应的参考节点到盲节点的距离，最后使用三边定位法计算盲节点的位置坐标。
接收信号强度和传输距离的函数关系可由如下式子表示：
将n与N的关系经查表转换后，可以得到由RSSI计算得到的距离为
得到距离值之后，就需运用三边测量法来计算盲节点坐标。
三、CC2431定位引擎对变电站的适应和相应改进措施
判断一个定位系统是否适合所指定的场所，需要对多方面进行评估。CC2431定位引擎在无障碍的空旷的场所中能良好运作，精度较高，但以上算法容易受到如反射、多径传播、非视距等问题的影响，将造成定位不稳定且误差比较大，只靠定位引擎无法达到所需的定位精度。由于定位引擎所使用的是硬件定位，无法直接对内部算法进行调整和改进，故本节讨论的改进措施主要以提高RSSI准确度为基础。
1.建筑物的阻碍
在变电站中，室外的场地较为空旷，即使有大型建筑物的障碍，对RSSI值的影响不会太大，对于这种情况，只需对RSSI值进行简单滤波法。而对于室内的场地，相比之下不太空旷且有许多建筑物，这种情况下需要更有效的滤波方法，主要有剔除异常值方法和卡尔曼滤波模型等。
2. 场地大小的限制
前文提到，定位引擎能达到3到5米的误差，对于较大场地而言其具有良好的准确度和误差范围，但对于较小的空间如20米*20米的场地，此误差将会大大减弱其定位效果。故针对此种情况，可以采用将LQI值融入距离估算算法中的措施。LQI是链路质量指示，表征接收数据帧的能量与质量。当传输距离较小时，可以使用LQI值，而当传输距离较大时，改用RSSI值。同时运用恰当的方法并结合实地情况分析LQI和RSSI与传输距离的关系，可以得到相应的修正方法。
3. 参考节点安装高度引起的误差
定位引擎仅适用于二维定位，而对于一些情况下参考节点安装位置均高于盲节点，会造成相应的误差，同时高度的增加将导致传输距离增大，直接由RSSI得到的距离用在算法中会有较大误差。故针对这种情况，可采用基于投影法和约束非线性规划法提出的对接收到的RSSI实测值进行投影修正，将得到的RSSI修正值用于算法，即可有效降低此种情况的误差。
4. 基于Rssl的分类量化算法
此算法的核心思想是把接收到的RSSI值进行量化，并把量化结果用于定位算法，在一定程度上提高了定位的精度，是另一种较好的改善RSSI准确度的方法。
结语
本文带硬件定位引擎的片上系统——CC2431的基础上，研究分析并讨论其定位原理、定位过程、定位算法，并针对目前使用的直接测距算法存在精度低、误差不稳定等缺点，结合变电站的一些情况提出了相应改进措施，为深入研究ZigBee技术在变电站的应用提供基础，从而使ZigBee技术能更好的应用在变电站中，进而可推广到应用在其他各大领域。
参考文献
[1]周小艳，何为，胡国辉.基于ZigBee无线传感器网络的变电站人员定位的改进算法研究[J]. 电力系统保护与控制，2013，17：56-62.
[2]徐林，傅成华.基于ZigBee的三边测量算法误差研究及改进[J]. 微型机与应用，2012，21：68-70.
[3]杨佳佳. 基于WSN的定位算法研究与会场人员定位系统实现[D].西南交通大学，2012.
作者简介：
孙启梦 女 作者单位：华北电力大学
研究方向：通信工程
关键词 Zigbee 定位 CC2431 变电站
一、CC2431定位引擎
CC2431是带硬件定位引擎的片上系统，是基于接收信号强度RSSI的硬件定位技术，采用此技术能降低网络流量与通信延迟，实现3～5 m定位精度和0.25 m的分辨率。
ZigBee无线定位系统包括参考节点、盲节点和网关节点。盲节点即由CC2431及外围硬件构成，在系统中具有重要的作用，其关键在于定位引擎的运作，输入主要包括：二维参考坐标，RSSI值，搜索边界坐标，参数A和N，输出则为估算的盲节点的二维坐标值。
其运作过程大致如下：
1.加载参考坐标对
定位引擎需要16个坐标对[x0，y0，x1，y1，…，x15，y15]，当参考节点少于16个时，必须用0来填充以标记不适用的坐标对。
2.加载搜索边界坐标
為了减少错误和估算时间，必须输入边界坐标，按以下顺序输入xmin，xmax，ymin，ymax。可以考虑的范围在[0.00，63.75]米内。
3.加载RSSI值
与参考坐标对应，定位引擎需要16个RSSI值[RSSI0，RSSI1，…，RSSI15]，当有不使用的值时，以0作为对应位置的标记。
4.加载参数A和N
参数A是距发射端1 m处接收到的平均功率绝对值，参数N指示了信号能量随着距离的增加而衰减的速率。这两个参数可由收集到的RSSI数据运用最小二乘直线得到。A的值期望在[30，50]范围内，N的值期望在[0，31]范围内。
5.定位估算
当22个参数都写入之后，标记相应寄存器，开始运行定位算法，并输出估算得到的坐标。
二、CC2431定位算法
定位引擎的核心在于其硬件定位算法，此定位算法的原理是根据参考节点发往盲节点的信息包，从中选取前三个最大的RSSI，结合相应参数由此计算对应的参考节点到盲节点的距离，最后使用三边定位法计算盲节点的位置坐标。
接收信号强度和传输距离的函数关系可由如下式子表示：
将n与N的关系经查表转换后，可以得到由RSSI计算得到的距离为
得到距离值之后，就需运用三边测量法来计算盲节点坐标。
三、CC2431定位引擎对变电站的适应和相应改进措施
判断一个定位系统是否适合所指定的场所，需要对多方面进行评估。CC2431定位引擎在无障碍的空旷的场所中能良好运作，精度较高，但以上算法容易受到如反射、多径传播、非视距等问题的影响，将造成定位不稳定且误差比较大，只靠定位引擎无法达到所需的定位精度。由于定位引擎所使用的是硬件定位，无法直接对内部算法进行调整和改进，故本节讨论的改进措施主要以提高RSSI准确度为基础。
1.建筑物的阻碍
在变电站中，室外的场地较为空旷，即使有大型建筑物的障碍，对RSSI值的影响不会太大，对于这种情况，只需对RSSI值进行简单滤波法。而对于室内的场地，相比之下不太空旷且有许多建筑物，这种情况下需要更有效的滤波方法，主要有剔除异常值方法和卡尔曼滤波模型等。
2. 场地大小的限制
前文提到，定位引擎能达到3到5米的误差，对于较大场地而言其具有良好的准确度和误差范围，但对于较小的空间如20米*20米的场地，此误差将会大大减弱其定位效果。故针对此种情况，可以采用将LQI值融入距离估算算法中的措施。LQI是链路质量指示，表征接收数据帧的能量与质量。当传输距离较小时，可以使用LQI值，而当传输距离较大时，改用RSSI值。同时运用恰当的方法并结合实地情况分析LQI和RSSI与传输距离的关系，可以得到相应的修正方法。
3. 参考节点安装高度引起的误差
定位引擎仅适用于二维定位，而对于一些情况下参考节点安装位置均高于盲节点，会造成相应的误差，同时高度的增加将导致传输距离增大，直接由RSSI得到的距离用在算法中会有较大误差。故针对这种情况，可采用基于投影法和约束非线性规划法提出的对接收到的RSSI实测值进行投影修正，将得到的RSSI修正值用于算法，即可有效降低此种情况的误差。
4. 基于Rssl的分类量化算法
此算法的核心思想是把接收到的RSSI值进行量化，并把量化结果用于定位算法，在一定程度上提高了定位的精度，是另一种较好的改善RSSI准确度的方法。
结语
本文带硬件定位引擎的片上系统——CC2431的基础上，研究分析并讨论其定位原理、定位过程、定位算法，并针对目前使用的直接测距算法存在精度低、误差不稳定等缺点，结合变电站的一些情况提出了相应改进措施，为深入研究ZigBee技术在变电站的应用提供基础，从而使ZigBee技术能更好的应用在变电站中，进而可推广到应用在其他各大领域。
参考文献
[1]周小艳，何为，胡国辉.基于ZigBee无线传感器网络的变电站人员定位的改进算法研究[J]. 电力系统保护与控制，2013，17：56-62.
[2]徐林，傅成华.基于ZigBee的三边测量算法误差研究及改进[J]. 微型机与应用，2012，21：68-70.
[3]杨佳佳. 基于WSN的定位算法研究与会场人员定位系统实现[D].西南交通大学，2012.
作者简介：
孙启梦 女 作者单位：华北电力大学
研究方向：通信工程