无线跟踪系统（精选10篇）
无线跟踪系统 篇1
0 引 言
随着电梯系统的普及,电梯的监测[1,2,3,4]、数据管理、分析、故障报警以及电梯运行状态的统计显得非常重要。日本东芝电梯公司开发的基于神经网络的电梯群控装置[5]EJ-1000FM,其结构庞大,算法复杂,不能提供一个明确用于网络知识表达的框架。电梯核心控制系统通讯方式向网络化控制系统发展,中国建筑科学院机械化研究院研发凯博电梯远程监控系统[6],该系统由电梯机房的信号采集与处理器模块、负责信号调制与传输的调制解调器模块和经由电话网络向操作员提供监控界面的服务中心计算机模块3部分组成。但利用专线搭建监测管理系统的费用比较昂贵。为了更好地解决这些问题,需要研制和开发一套运行高效、成本低廉、通用性较强的新型的网络电梯监测系统。而利用无线传感网络可以在短时间掌握电梯故障情况,及时准确了解电梯故障的原因,进行抢修,更好地服务于用户,代表了新一代监测系统的发展趋势。
本研究提出一种基于无线传感网格的新电梯跟踪系统。
1 节点硬件平台
目前,无线传感器网络的研究主要基于Mica系列和Telos系列两种典型的传感器节点,其采用Micaz和Telsob节点,它们都是采用频率为2.4 GHz的IEEE802.15.4协议的Mote模块,并都支持目前最主流的嵌入式操作系统TinyOS[7]进行应用开发。Micaz 节点可扩展连接带有二维ADXL202JE加速度传感器的开发板MTS310CA。该加速度传感器的测试范围在±2 g之间,精度为2 mg,主要用于测试电梯在运行过程的加速度变化。而Telsob节点自带光传感器、湿度传感器和热传感器等,通过合理设置电梯里Telsob节点的发射能量值,用于跟踪电梯的整体运行情况。
每个传感器节点[8]由数据采集和A/D转化模块、数据控制模块、无线通信模块和能量供应模块等组成。传感器节点具有可快速部署、可自组织和高容错性的能力,可以形成具有一定拓扑结构的网络。无线传感器网络[9]节点分为两类:一类是传感器节点,它的作用是借助传感器来测量检测区域内的温度、湿度、压力、噪声、光照、声音、土壤成分、速度等模拟物理量,各个传感器节点协同处理,通过无线射频模块把处理后的消息发送到汇聚节点;另一类是汇聚节点,它连接传感器网络和外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,并把收集的数据发送到外部网络上位机中显示结果。其中,能量供应模块[10]器节点提供电源;数据控制模块负责控制整个节点系统操作,存储与处理本地节点采集信息以及其他传感器节点发来信息;数据采集和A/D转化模块负责实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的模拟信息和对被感知的模拟信息进行A/D转换;无线通信模块将本地节点处理后的信息以无线传输方式发送到基站,或者负责与其他传感器节点通信、交换控制消息和收发采集数据。
2 软件设计
2.1 Telsob节点软件设计
操作平台使用TinyOS2.x平台,它是由加州大学伯克利分校开发的开放源代码操作系统,它是一款开源的基于组件的操作系统和平台,主要针对无线传感器网络研究与开发。该实验在电梯内放置一个Telsob节点和一个Micaz节点。Telsob节点的ID为0,该节点每500 ms发送一次数据包,相应发送功率为-25 dbm,由于发送包能量有限,电梯每楼层外面布置的节点只有在电梯打开时,节点才能接收到电梯内部0号节点发送的数据包,沿着其他转发[11]节点逐跳传输,向汇聚节点传送数据包,最后汇聚节点向PC机发送数据包,并在上位机显示部分有用数据包,以实时监控电梯的运行情况,具体软件流程如图1所示。同时Micaz节点采集电梯加速度值也通过转发节点发送给汇聚节点[12,13]。
2.2 上位机显示界面软件设计
上位机显示界面采用C++编写,演示电梯具体运行情况。本研究通过读取PC机接收的数据包,然后进行数据包解析。如果是能量信号,本研究读取数据包中的ID号,定位电梯当前位置CURR1,通过与前一个楼层值BEF1比较,如两个值不相等,移动电梯到当前楼层。如果都不是,本研究继续读取汇聚节点接收到的数据包。具体流程图如图2所示。
3 实验测试及分析
3.1 实验环境
在电梯跟踪实验中,本研究分别在电梯第0～6楼层外面布置1个Telsob节点,ID分别为20、21、22、23、24、25、26,电梯内部布置1个ID为0的Telsob节点和1个Micaz节点,并在第0层和第1层间布置ID号为27 的Telsob节点,用来保持无线传感网络的连通性,在走廊布置的两个转发节点ID分别为28和29,路由转发数据包到汇聚节点(即目的节点)。节点路由示意图如图3所示。该路由协议采用基于地理位置路由协议,唤醒距离目标节点(即源节点)最近的传感器节点,得到更精确的电梯位置信息,然后通过转发节点,将位置信息传送到目的节点。
3.2 结果与分析
PC机显示监测环境中各个Telsob节点情况。汇聚节点数据包接收结果如图4、图5所示。
本研究采用C++设计的可视化上位机界面显示电梯运行情况,如图6所示。
图4、图5中每行代表一个数据包中信息:数据包第1列是节点ID号,第2列为计数器,第3列为接收信号强度,第4列为链路质量,倒数第2列为实时运行时间。由图4可以得到电梯直接从第0层运行到第3楼;由图5可以得到电梯先从第0层运行到第5层,经过打开关闭操作,再运行到6楼,最后打开。电梯整个详细运行过程如图6所示。从以上实验结果看出,基于无线传感网络的电梯跟踪系统能够及时、有效判断电梯运行的状况,因为电梯内节点发包周期为500 ms,可以推出该系统跟踪精度小于500 ms。
电梯从底楼运行到第1层停止后继续运行到第5楼的整个过程如图7所示。可以看出,电梯刚开始处于静止状态,5 s后电梯开始运动,正向加速度越来越大,达到最大值,接着加速度越来越小,直到匀速状态。10 s左右后反向加速度的绝对值越来越大,达到最大值,然后加速度的绝对值越来越小,直到电梯停止,此时的加速度大小为0。其中在匀速过程中,电梯的加速度突然间起伏,说明电梯在匀速过程出现震荡现象。
4 结束语
跟踪在无线传感网络应用中具有非常重要的作用。本研究由多个Telsob节点和一个Micaz节点组成的无线传感器网络实时判断电梯整体运行情况和加速度的变化,只需合理设置电梯内节点的发射能量大小,不需要复杂的跟踪算法。该系统简单、可扩展性强、精度相对较高,可以通过增大电梯内节点发包频率,更加准确地测出电梯在每层的停留时间以及电梯运行状况。但是该系统中电梯内部节点周期性发包,消耗能量相对较大,需要更换节点。该研究满足实时性跟踪的要求,可为无线传感网络在电梯跟踪中的进一步研究和系统优化设计提供参考。
无线跟踪系统 篇2
根据目标信息在舰载条件下各个环节中的传递过程,分析光电跟踪系统跟踪性能各种影响因素,给出了主要的.误差源.在考虑不同误差属性的基础上,给出了脱靶量测量误差在伺服控制系统中的传递方法.同时,给出伺服系统动态滞后误差、扰动力矩产生的跟踪误差,以及由于舰船运动对跟踪性能的影响.
作 者：王辉华 刘文化 张世英 刘淼森 吕隽 WANG Hui-hua LIU Wen-hua ZHANG Shi-ying LIU Miao-sen LV Jun 作者单位：王辉华,WANG Hui-hua(海军工程大学,武汉,430033)
刘文化,张世英,刘淼森,吕隽,LIU Wen-hua,ZHANG Shi-ying,LIU Miao-sen,LV Jun(海军装备研究院,北京,100073)
无线跟踪系统 篇3
【关键词】太阳跟踪；光电检测；自动定位
1.前言
太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照时间和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提高了更高的要求[2]。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电率低下。据试验，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中，进行跟踪是十分必要的[3-4]。
按照不同的分类方法，太阳跟踪方式通常有传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪（程序控制），还有单轴跟踪和双轴跟踪。传感器跟踪是利用光电传感器检测太阳光是否偏离，当太阳光偏离时，传感器发出偏差信号，经放大运算后，控制执行机构重新对准太阳光。这种跟踪方式的优点是灵敏度高，缺点是受天气影响大，阴雨天无法对准太阳，甚至引起执行机构的误动作。视日运动轨迹的跟踪（程序控制），是根据太阳的实际运行轨迹按预定的程序调整跟踪太阳，这种跟踪方式能够全天候实时跟踪，但其精度比较低。单轴跟踪只是在方位角跟踪太阳，高度角做季节性调整，双轴跟踪是在方位角和高度角两个方向跟踪太阳。
本文提出一种新型的基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案，该系统采用传感器跟踪方式，实现方位角单轴一维机械跟踪。不仅能自动跟踪太阳光方向来调整太阳能电池板朝向，结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值。
2.系统设计
本文是基于单片机的太阳跟踪装置设计，将控制器分为软硬件两部分来设计与调试，实现了太阳跟踪的基本功能。
太阳自动跟踪装置主要是由光电检测电路[5]、机械跟踪定位系统、单片机控制系统等几部份组成。电源电路采用5V/500mA的集成稳压电源，输出高电平和低电位；机械跟踪系统主要由支架、两个转动轴、直流电机；单片机选用低损耗、高性能、COMS八位微处理器AT89C52，片内有8K字节的可擦写存储器，4组I/O口。
主控制单元主要完成：过滤干扰，定时器每隔一段时间采样一次用数组进行缓冲过滤掉干扰；计算功能，计算电机转动的角度；控制功能，编程控制手动、自动调整，控制电机的正转与反转。
2.1 系统总体设计
主要通过微机处理器对光敏二极管采集的信号来驱动直流电机的正转、反转、速度等进行控制，从而对跟踪太阳的控制，本设计采用的是被动式太阳跟踪。其系统结构如图1所示。
2.2 硬件总体设计
该系统通过单片机、光传感器、电机以及硬件电路板等板块的组合运用来控制太阳能的跟踪，达到和太阳形成同步运动的目的，从而提高太阳能的利用率。该系统主要包含的模块有：单片机控制模块、光敏传感器模块、电机驱动模块、按键调整模块等模块。系统结构框图如图2所示。
2.3 软件总体设计
根据一维坐标系，自动跟踪装置具有一个垂直的转轴，即垂直轴，垂直于水平面，传感板围绕垂直轴转动实现方位角的变化[6-9]。本系统为软硬件相结合的设计，在硬件的基础上用软件实现一些功能。软件实现的主要功能：过滤干扰，定时器每隔一段时间采样一次用数组进行缓冲过滤掉干扰；计算功能，计算电机转动的角度。系统的状态调整需要三个调整键，分别为手动/自动切换、电机正转、电机反转。
本系统的软件由以下几个部分组成：系统初始化模块、扫描按键、自动跟踪模块、电机驱动模块。系统初始化模块主要由软件实现，如图3所示：
2.3.1 系统初始化模块
系统初始化模块主要确定跟踪装置机械结构的基准位置。机械运动部件运动到基准位置后，触发开关向控制端口发送电平信号，单片机收到消息后立即终止驱动脉冲的发送。这种模式主要是针对系统工作异常和日落后系统自动返回基准位置设置的，也可以减小因机械结构的加工和直流电机的传动而产生的误差积累。
2.3.2 自动跟踪模块
自动跟踪模块是由8个光敏二极管组成的一个传感器[10]。如图4所示，將传感器分成两个区域，具体是光敏二极管D2、D3、D4为一组，D5、D6、D7为一组，形成左右各一区域的状态，将此检测板用两个不透光的下方开口的圆柱体盖住，圆柱体的直径要正好圈住三个光敏二极管。圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞，以让光线通过。传感器检测部分实现的功能是能准确判断是左偏还是右偏，当两个区域都有信号时为正对，电机不转。如果有一个区域的传感器信号被遮挡则产生相对应的动作，即采集的信号利用运放放大信号传送给单片机，单片机根据采集的信号分析电机是否转，转的话，是左转还是右转。
2.3.3 按键电机驱动模块
电机驱动模块是由按键扫描完成和单片机控制同时完成的。主要由单片机控制单元以软件形式完成，再由按键辅助完美化。在本系统中，选择的电机是5V的直流电机，其本身有很大的磁场，对继电器有很大的工作干扰，所以使用的是桥式驱动。本系统中共有三个功能键：分别为手动/自动切换、电机正转、电机反转。
3.结束语
本文以单片机为核心，设计了基于方位角单轴一维机械跟踪定位的太阳跟踪定位系统。该系统应用了太阳辐射与环境亮度的比较，使得该自动跟踪系统的准确性、可靠性强，在晴天检测过程中能实时回存正确的时间和角度数据，消除因季节变化而产生的积累误差。在阴天时能自动转动到以前晴天时的位置。即使是在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常工作，提高了太阳能的利用效率。
参考文献
[1]张正伟.传感器原理与应用[M].北京:中央广播电视大学出版社,1991,4.
[2]梅开乡.太阳强光自动跟踪装置的设计[J].太阳能,2006,(03):26-29.
[3]候长来.一种太阳自动跟踪装置的设计[J].仪器仪表用户,2005,(02):141-143.
[4]孙茵茵,鲍剑斌,王凡.太阳自动跟踪器的研究[J].机械设计与制造,2005,(07):11-13.
[5]吕海宝.激光光电检测[M].国防科技大学出版社,2004,1.
[6]郑小年,黄巧燕.太阳跟踪方法及应用[J].能用技术,2003,24(4):8-10.
[7]M.J.O'Neill,A.J.McDanal.The 25 kilo watt solar row:a building block for utility-scale concentrator systems[J].25th IEEE PVSC,May 1996,Washington D.C.,pp.1529-1532.
[8]吕爱民.光斑模式对PSD定位的研究[J].激光技术,1998,22(5):29-30.
[9]刘振起.太阳能集能器自动跟踪装置[J].节能,2003,9:22-24.
[10]王雪文,王洋,阎军锋,赵武,张志勇.太阳能电池板自动跟踪控制系统的设计[J].西北大学学报(自然科学版),2004,34(2):157-158.
作者简介：刘冉冉（1982—），女，硕士，毕业于常州大学自动化专业，常州刘国钧高等职业技术学校讲师，研究方向：控制工程与控制理论。
无线跟踪系统 篇4
以大气作为传输介质, 激光作为信息载体进行无线通信时, 空-地激光无线通信是激光无线通信的一种常见形式, 信标光的准确捕获、瞄准与跟踪 (Acquisition, Pointing and Tracking, APT) 是其关键技术, APT系统主要用于建立和维持激光通信链路, 是进行激光无线通信的关键技术。由于激光光束窄、发散角小, 在大气传输过程中存在大气散射、折射、湍流等现象, 再加上激光通信平台的振动等因素, 会造成激光光束偏离目标, 使得瞄准、捕获和跟踪技术问题变得十分突出[1,2]。
APT系统分为粗跟踪系统和精跟踪系统。粗跟踪系统主要负责完成信标光的初始时期的大范围扫描和捕获, 引导信标光光斑进入精跟踪视场, 跟踪精度和带宽较低;精跟踪系统主要负责完成信标光的精确跟踪和锁定, 国内外已进行了有关精跟踪的不少研究[3,4,5], 它所要求的跟踪精度和带宽较高, 它的精度和带宽决定了整个APT系统的精度和带宽, 同时它的另一个主要功能是克服因大气扰动和平台振动造成的信标光光斑抖动, 维持稳定的激光通信链路。针对目前激光无线通信所要用到的关键技术, 和空-地激光无线通信终端应具有集成度高、功耗低、体积小和重量轻等一系列特点, 本文设计了一种以FPGA作为控制芯片的精跟踪系统。
1 系统组成及功能概述
以Altera公司的Cyclone系列FPGA为控制核心的双FPGA系统, 一块用于控制高帧频相机, 并将图像数据通过基于1394协议接口的传输线传输到另一块FPGA, 在第二块FPGA中进行光斑坐标提取和完成跟踪算法, 系统使用一款基于Cameralink接口的高帧频CMOS相机作为图像传感器采集信标光光斑, 以高速数/模转换芯片DAC712P、双通道PZT控制器和高精度PZT振镜用于构成光路偏转控制系统。PC机用于设定相机工作参数, 与FPGA板间数据通信采用Cypress公司提供的支持USB 2.0协议的CY7C68013芯片。
如图1所示为系统的组成框图, 在终端设备中, 由光学天线接收到的信标光经过高帧频CMOS相机转换为灰度图像, FPGAⅠ将灰度图像数据由Cameralink接口接收后, 经过重新组合, 然后通过基于1394协议的接口芯片转换为串行差分信号发送至图象处理板, 板上的FPGA Ⅱ把图像数据接收后放入其内部的一级缓存RAM中, 再从一级缓存中取出数据通过乒乓操作将其存放到其外部的二级缓存PSRAM阵列中, 然后FPGAⅡ把图像数据从PSRAM阵列中取出, 采用质心算法计算光斑中心坐标, 并把图像数据通过USB接口控制模块发送到PC机进行显示, 便于用户实时监测。同时把计算出的光斑中心坐标根据PID跟踪算法计算出偏置调节量, 通过数模转换芯片DAC712P转换为模拟信号后经过PZT控制器实现信号放大, 最后使PZT振镜在两路实时程控电压的控制下进行相应的二维偏转, 实现对因大气湍流等因素造成的接收光束的抖动进行实时补偿, 达到稳定接收光斑中心位置, 维持稳定的激光通信链路目的。
2 系统硬件部分设计
2.1 光斑采集及处理部分
光斑采集及处理部分主要由高帧频CMOS相机MV-D1024E和对其进行控制的FPGA组成。采用的两块FPGA均是Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8, 具有5 980个逻辑单元, 120 000个典型门资源和185个可编程I/O口, 最高工作时钟可达300 MHz以上, 核心供电电压为1.5 V, I/O供电电压3.3 V, 通过JTAG实现系统配置[6]。配置芯片EPC4串行ROM容量约为4 MB, 可重复编程50次左右, JTAG接口符合IEEE Std.1149.1标准。
MV-D1024E是高速高动态的CMOS相机系列[7], 采用CMOS主动像元技术, 具有12位的采样分辨率和1 024×1 024的像素分辨率, 在此分辨率下帧频能达到150帧/s, 曝光时间由10 μs～0.41 s, 25 ns步进可调, 采用Camera Link接口, 用串行口对相机进行配置。相机时序由帧频FVAL、行频LVAL和数据帧DVAL控制, 当它们同时为高电平时, 在相机时钟PCLK上升沿时数据总路线上才有数据。
在光斑中心提取算法中, 采用较为实用的质心法, 该算法计算简单, 便于FPGA实现, 因其抗噪声干扰能力较弱, 当噪声增大时, 光斑中心提取精度降低, 则系统选取了灰度加权质心法来计算光斑中心。若目标区域为N×N, 则质心的位置为:
式中:i, j为目标区中像元的横纵坐标;f (i, j) 为像元的灰度值。质心法反映了目标的能量分布状况。该算法适用于类似于精跟踪系统接收视场小而光班范围相对较大的情况。
2.2 数据传输及通信接口部分
Camera Link用于相机和FPGA板间的数据交换, 其传输率高达1 Gb/s, 且抗噪较好, 可以提供高分辨率和各种帧频的数字化数据, 数据输出采用了LVDS格式, 根据应用要求, 其支持基本 (Base) 、中档 (Medium) 、全部 (Full) 等数字格式, 该接口具有开放式的接口协议, 兼容性好[8]。它适用于CCD或CMOS等数字式相机与图像采集系统间的通信接口。
USB接口用于FPGA与PC机间的数据和指令的交换, 其具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用维护方便等优点, 采用IEEE1394总路线协议, 最高带宽可达到480 Mb/s。采用Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013。
2.3 光路偏转控制部分
光路偏转控制系统以高速转换芯片DAC712P、双通道PZT控制器和高精度PZT振镜构成, 采用的16位双通道高速数模转换芯片DAC712P, 电压输出时间小于10 μs, 其输出电压直接用于双通道PZT控制器的输入, PZT控制器选用德国PI公司的E-503 PZT控制功率放大器, 输入电压范围为0～10 V, 输出电压范围为0～100 V, 其电压频率响应曲线如图2所示[9]。PZT振镜选用了德国PI公司的S-330, 该PZT振镜采用压电陶瓷驱动, 频率响应度高且具有极高的定位精度。
跟踪控制算法采用PID控制算法, 该算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法, 而在实时控制系统中常用增量式PID控制算法, 其公式为:
式中:Δu (k) 为输出的控制量。q0=KP, q1=KP· (TS/TI) , q2=KP· (TD/TS) 分别为比较项、积分项和差分项的系数, TS为采样时间, 对于不同的控制系统, TS各不相同, 要根据实际调试经验来确定。
3 软件部分设计
此部分包含了上位机和下位机软件设计, 下位机FPGA采用由Altera公司的集成开发环境Quartus Ⅱ、Mentor Graphics公司的ModelSim SE进行开发, 采用Verilog HDL语言进行编写, 上位机使用Microsoft公司的VC++6.0软件工具进行开发。Quartus Ⅱ通过JTAG对FPGA进行调试、配置下载, VC应用程序通过USB接口与CMOS相机控制电路板、图像处理电路板进行连接通信。整个系统流程图如图3所示。
4 试验结果及分析
图4为精跟踪系统评价曲线图, 此实验数据由相距16 km的外场激光无线通信时, 使用APT系统得到的, 图4 (a) 为未加入精跟踪时信标光斑在精跟踪接收视场内的坐标曲线, 图4 (b) 为加入精跟踪后的坐标曲线, 由两图对比可知, 加入精跟踪后, 光斑比较稳定, 集中度较好, 将集中效率提高了70%左右, 跟踪精度为5～25 μrad, 由外场激光通信效果来看, 明显降低了通信误码率, 减弱了因大气湍流和通信平台的震动而引起的信标光斑抖动时对通信造成的影响。但是, 系统对平台抖动剧烈时跟踪效果不很理想, 跟踪精度还不够。
系统由基于FPGA的硬件平台实现, 降低了对PC机的依赖性, 为低功耗便携式平台提供了参考。还待加强的问题有:提高光斑定位精度, 缩短信标光斑定位、跟踪算法时间开销, 改进跟踪算法提高鲁棒性和提高系统的跟踪精度。
参考文献
[1]Leitgeb E, Gebhart M, Fasser P, et al.Impact of Atmosphe-ric Effects in Free Space Optics Transmission Systems[A].SPIE[C].2003:86-97.
[2]艾勇, 陈晶, 谭莹, 等.2.3 km距离1.25 Gb/s速率自由空间光通信实验[J].光通信技术, 2007 (9) :53-55.
[3]曹阳, 艾勇, 黎明.星地光通信中的精跟踪模拟实验研究[J].半导体光电, 2008 (5) :742-745.
[4]Timothy I King, Hazem H Refai, James J Sluss.et al.Con-trol System Analysis for Ground/Air-to-Air Laser Com-munications Using Simulation[A].The 24th Digital Avio-nics Systems Conference[C].2005, 1:3 990-3 996.
[5]张丽敏, 郭劲.快速反射镜双X-Y轴控制的仿真研究[J].光学精密工程, 2005 (13) :142-147.
[6]Altera.EP1C6Q240C8[EB/OL].http://www.altera.com/Cyclone Device Handbook.2008.
[7]PHOTONFOCUS AG公司.MVD1024E-Series UserManual[DB/OL].2007:1-99.
[8]王小艳, 张会新, 孙永生, 等.Camera Link协议FPGA的数字图像信号源设计[J].网络与通信工程, 2008 (7) :59-61.
无线跟踪系统 篇5
关键词 无源定位 卡尔曼滤波算法模型 距离角度算法 仿真模拟
中图分类号：TP3 文献标识码：A
0前言
与传统的有源雷达技术相比较，无源定位跟踪技术自身不发射电磁波而且探测距离远，所以它在现代电子侦察战中扮演着越来越重要的角色。本系统就是采用无源定位跟踪技术在西南交大就学期间以毕业设计形式完成。现代电子侦察相关算法层出不穷，但算法各有优劣。本系统是用不同算法如卡尔曼滤波算法、距离角度算法等对无缘定位技术进行仿真模拟，以确定不同算法的优劣。本文主要是对目标跟踪数据融合平台系统开发所需的技术进行剖析，也对开发系统中所遇的问题以及解决方法进行讲解。
1绪论
1.1研究的背景和意义
在现代战争的信息战、电子战环境中，使用快速高精度、高识别率的无源被动定位跟踪技术作战场监视、远程精确打击已成为一种重要的技术方向和发展趋势。单站无源定位与跟踪技术对于C4ISR系统中的空载、星载、舰载电子侦察监视以及发射导弹攻击预警机、航空母舰以及地面雷达的初始瞄准具有重要的价值，应用范围广。
1.2国内外发展情况
1.2.1国外的发展情况
国外在单站定位方面早就展开了研究，通过查看国外发表的众多文献资料，我们可以知道国外已经在进行关于单站定位系统的试飞试验和工程应用。下面我们介绍国外一些在这种理念下开发的产品。
（1）“沉默的哨兵”
“沉默哨兵”的核心是“无源相控定位技术”。该系统广泛采用了仿生学的原理，参考苍蝇360度“复眼”的构造，设计师将四面尺寸在2.5米左右的天线安装在固定雷达站基座上，每面探测范围均为120度，合在一处则可实现全方位全天候目标监视。其有效作用距离达220km，方位覆盖60€啊？60€埃钥罩心勘甑亩ㄎ痪扔氩捎枚嗌俑鯰V信号或FM广播信号有关。
（2）英国防御研究局（DERA）的无源跟踪探测定位系统
英国DERA正在开展研究的无源探测定位系统也是一种双基系统，它利用英国BBC的TV发射机发射的TV信号进行对空中目标的探测和定位。该系统采用了与美国“沉默的哨兵”系统完全不同的探测定位技术，即快速傅里叶变换（FFT）加卡尔曼滤波器和扩展卡尔曼滤波器技术。
系统主要由一对8单元Yagi-Uda天线、下变频单元和VXI数字HF接收机等硬件组成。系统在1997年2月进行了三次试验，当时其天线置于18m高的移动塔上，系统距TV发射台100余千米，能探测260km远的目标。
1.2.2国内的发展情况
国内单站无源定位技术的理论基础研究是从 1994 年底开始的，国防科技大学的孙仲康教授领导着大批研究人员从事精确制导技术、无源定位技术的研究，总体来说，国内的研究已经完成了这项技术理论和方法的基础研究，并开始着手深入研究参数的测量、定位滤波算法等。通过近 40 多年的努力，我国在这一领域得到了长足发展，许多先进的图像处理与模式识别方法被应用到这个领域，并研制了一些实际的系统。在国内的研究机构中，中國科学院北京自动化研究所模式识别国家重点实验室对交通场景的视觉监控、人的运动视觉监控和行为模式识别等方面进行了深入研究，分别提出了基于三维线性模型定位、基于扩展卡尔曼滤波器的车辆跟踪算法、基于步态的远距离身份识别、对目标运动轨迹和行为特征学习的模糊自组织神经网络学习算法等，在视觉监控研究中处于领先地位。
1.3开发平台和目标平台
1.3.1开发平台
Windows 7操作系统；
1.3.2 目标平台
因为本系统的最终成品为演示仿真系统，因此不需要真正的物理传感器。系统会通过软件模拟，最终运行环境为：
硬件要求：
CPU：500MHZ以上
硬盘：5GB以上
内存：128M以上
运行环境：
Windows 7/XP及以上版本，Java Runtime Environment，IE4.0以上，Netscape4.0以上。
1.4开发工具简介
1.4.1 Visual C++ 6.0
VC++6.0是Microsoft公司推出的一个基于Windows系统平台、可视化的集成开发环境，它的源程序按C++语言的要求编写，并加入了微软提供的功能强大的MFC（Microsoft Foundation Class）类库。
1.4.2数学运算工具matlab
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
1.4.3 Matlab和VC++接口设计
因为本系统的数学模型计算方面非常繁琐，为了减轻工作负担，我们采用专业的数学运算引擎matlab来计算模型处理的那部分，这样就必须用到VC和matlab方面的交互。MATLAB包括数学函数和工具箱函数，MCC已经将编写的函数进行编译，可以遵循MCC编译后的VC++文件语言规则直接在VC++中使用。
2系统模块分析
2.1传感器管理
在本仿真系统中，为了最大程序的模拟真实的跟踪过程，系统允许用户设置传感器在坐标中的位置。因为在现实世界坐标系中，很有可能多个传感器在不同的地方，一个范围内协同工作，但本系统中暂不考虑多站的情况。真实系统中还应该可以调整传感器的扫描频率（采样频率）等参数。通过该管理模块能够对传感器相关参数做出相应的修改，使其能够通过不同方式接受信号。其包括对传感器横坐标、纵坐标及其传感器布局等管理。
2.2目标管理
在本模块中用户可以设置目标的真实值以模拟我们本应该通过传感器所得到的带噪声的数据，所以允许用户输入的首先应该是目标的真实速度和坐标，但是实际中我们不可能知道真实的坐标值，所以不能使用这组数据计算，这组数据的用途应该是模拟添加了噪声的到达时间差和到达角的数据值，因为传感器是无源的，被动的接收外来的数据，我们只能得到这些数据。通过目标管理模块对目标相关参数做出相应的修改，使其能够按照预期结果飞行。包括目标坐标、目标飞行速度、目标飞行方向、目标类型、目标飞行家速度、目标飞行持续时间等进行相应的更改。
2.3算法管理
现军事上电子侦察所用算法很多，不同算法抗噪力不同，其准确率也有所不同。该模塊是为了简单模拟一些算法，通过该模块对目标算法进行相应的选择，使其能够按照不同算法进行相关测量，得到对应的结果。包括对kalman算法、距离角度算法及其他相关算法进行相应的管理。
2.4性能分析
本系统另一个重要的功能就是研究算法的精度，为了更好的体现算法的精度，我们给出了比较滤波后的值和我们预先知道的真实值之间的误差的方法。再对误差比较及相关参数进一步做出相关的性能分析。该功能实现是通过系统性能分析模块对不同算法测试目标得到的结果进行一定的分析比较，能够通过比较，得到理想的效果，得到相对最优算法，并得出分析相关性能分析结果。
3系统用到的定位算法
3.1卡尔曼滤波器算法
简单来说，卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法。对于解决很大部分的问题，他是最优，效率最高甚至是最有用的。他的广泛应用已经超过30年，包括机器人导航，控制，传感器数据融合甚至在军事方面的雷达系统以及导弹追踪等等。近来更被应用于计算机图像处理，例如头脸识别，图像分割，图像边缘检测等等。
由于在直角坐标系下的测量方程是一个非线性的方程，因此须采用非线性滤波方法。单站无源定位中传统的非线性滤波方法是扩展的卡尔曼滤波（Extended KF，EKF）方法，即用泰勒级数将非线性函数展开后线性化，然后利用卡尔曼滤波算法，获得较好的性能。但是由于EKF具有依赖于初始状态估计的缺点，并且协方差易出现病态，导致滤波定位结果不稳定。为此许多研究工作开始致力于研究更加稳定的算法。Aidala提出修正极坐标条件下的只测角定位滤波算法，即采用修正极坐标系和EKF算法对辐射源进行定位，改进了估计系统的稳定性，但是这样相对运动的状态方程就变成了一个非线性方程。
EKF算法和UKF（Unscented KF）通称为基于参数方法的滤波算法。EKF算法和UKF算法都是假设后验概率分布为高斯分布，对目标进行定位和跟踪是典型的动态系统状态估计问题，在模型满足高斯线性条件下，卡尔曼滤波器可获得最好的跟踪效果。但在诸如纯角度跟踪的运动模型中，线性、高斯假设条件常常不能满足，EKF算法将出现滤波精度下降和发散现象。Gordon等提出一种非参数化的滤波算法粒子滤波（Particle Filter，PF）。粒子滤波算法能解决非线性，非高斯问题。将Gordon等提出的粒子滤波方法应用到纯角度跟踪问题中，获得了较好的跟踪精度。随后，多目标跟踪与传感器管理问题也被研究出来。粒子滤波用于目标跟踪的成果表明，粒子滤波能较好地处理测量断续、群目标跟踪、雷达跟踪多路径等传统难题，因此它是目标跟踪中非线性问题的数学支撑工具之一。
但是传统的粒子滤波算法存在退化现象，克服退化现象有两条途径：一是通过重采样，一是通过选择更好的参考分布。一个最直观的改善参考分布的方法是融合入当前的观测数据。尽管不同的Kalman滤波方法的性能不同，但是它们都有把当前观测数据融合进参考分布的能力。因此考虑在样本产生后，利用Kalman滤波方法，先用本拍的量测对样本进行更新，然后再进行重采样。例如可以使用EKF对每个粒子点进行局部线性化来完成样本更新，这种方法称之为EKPF。而利用UKF算法对每个粒子点进行样本更新则称之为UPF算法。
3.2距离角度算法
类似雷达定位，主要通过目标的两个信息——距离和角度来进行对目标位置、速度等相关信息进行确定。在此我们简单介绍相关测量方法。
（1）测量交叉定位法：通过机载货地面单站的移动，在不同位置多次测量方位，利用方位线的交叉实现定位：或者通过空载或者地面固定多站的测角系统所测得的指向交会来实现定位。
（2）距离差测量法：实际上就是时差测量法，它是通过处理三站或更多个测量站采集到的信号到达时间测量数据进行定位的。时差测量误差会影响辐射源定位的误差。对脉冲信号而言，时差车辆的误差主要受测量信道带宽的影响。带宽越宽，误差越小，所以高精度的时差测量系统采用最好窄脉冲。
（3）测向/测时差混合定位法：是将多站无源测向定位和测时差定位相结合的一种定位方法，即可保证时差定位的高精度，又可利用方位角度信息消除定位的模糊性。
本系统的距离角度算法采用测向/测时差混合定位法，可选择三角布局，或者四角布局。
4本系统详细设计步骤简介
步骤一：做好架构设计
在设计前，必须先设计好主框架，做到胸有成图的程度。对各模块间的关系有个初步认识，对模块间相互联系的设计模式初步的确定。
步骤二：对系统触发所用到的对话框类进行编写
目标管理模块中需要设置目标相关参数，则需要建立继承CDialg的CAddTarDlg和CSetTarDlg类，对应分别是添加新目标类和设置已有目标的速度等相关参数的类。
传感器管理模块中，需要建立继承CDialg的CSetSenDld类，此类是添加传感器，以及修改已有传感器的坐标等相关参数。
算法管理模块中，这需要添加继承CDialg的CArithmSelectDlg类，此类作用是选择算法，并选择三角布局或者四角布局等布局方式等。
性能分析模块中需要添加继承CDialg的CProfilerDlg类，此类作用是对相关算法进行绘图，与实际軌迹做比较，得出最优算法。
步骤三：为类建立联系
在视图类CTargetTrackingView中添加目标管理、传感器管理、算法管理、性能分析、运行等菜单选项，并添加对应的属性变量，如CAddTarDlg类的adlg、CSetTarDlg类的dlg、CSetSenDlg类的sdlg、CProfilerDlg类的pd、CArithmSelectDlg类的asd。最后添加对应的触发函数OnAddTar、OnSetTar、OnSetSen、OnProfiler、OnArithmSelect、OnRun。
步骤四：完成后台处理
完成CTargetTrackingView相关触发函数代码的编写，并对其OnDraw函数进行完善，由于绘图需要适时刷新则需要定时器，添加定时器，并完成默认回调函数OnTimer。完成相关绘图任务，如画性能分析图、算法比较图。
步骤五：调试并完善
完成代码编写后需要对代码进行测试，并对代码进行相应的完善。
5系统中相关问题以及解决方案
问题一：程序重绘使用invalidate函数进行重绘，屏幕出现闪烁
解决方案：
（1）禁止背景刷新，对OnEraseBkgnd函数进行修改，直接返回true；
（2）缩小重画区域，使用invalidaterect函数进行重绘；
（3）先画到缓存区，再从缓存区一次性画到目标区（双缓冲）。
问题二：在VC中调用MATLAB出现问题
解决方案：
（1）方法一是调用Matlab引擎；
（2）方法二是调用Matlab中M函数转化成的dll文件；
（3）方法三是调用Matlab中M函数转化成c语言的函数。
参考文献
[1] 赵新会. 作战能力与作战效能的概念开发[A]. 军队建设与军事系统工程[C]第一版，2002：1383-3851.
[2] 孙珠峰，潘应华. 基于卡尔曼滤波的目标机动判别研究[J ] . 海军航空工程学院学报，2001 （4） ：449-451.
[3] 孙仲康，周一宇，何黎星. 单多基地有源无源定位技术[M]. 国防工业出版社，1996.
[4] 赵涛. 单站无源定位系统接收机的设计与实现[J]. 上海交通大学硕士学位论文，2008.
无线跟踪系统 篇6
作为“智能信息感知末梢”,物联网以其独特的优势,能在多种场合满足智能电网信息获取的实时性、准确性、全面性等需求,在智能电网的发、输、变、配、用以及调度等各大环节发挥巨大优势。无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术是物联网核心技术之一,作为一种新兴的技术手段,无线传感器网络综合了传感器技术、自组织网络技术、数据融合技术、目标定位技术等,有效地实现了数据采集、传输及处理的高度智能化[1]。针对变电站中的人工巡检不便于监管、外来人员误入非操作区域发生危险等问题[2,3],设计了基于WSN技术的变电站人员定位跟踪系统。
1 系统功能设计
变电站是高危作业环境,误入间隔、巡视不到位等违规作业行为时有发生,变电站人员定位跟踪系统可实时定位作业人员的当前位置,跟踪其在站内的移动轨迹,自动感知误入工区等行为,自动记录巡视人员的巡视轨迹,有效监控巡视不到位、漏巡甚至不巡等违规作业行为,并以声光报警的形式来提醒误入的作业人员,在现场报警的同时,将相关信息传送到监控中心,后台管理部门可以采取相应措施,防止事故的发生。
2 系统架构设计
从物理上看,系统包括变电站现场和监控中心,在变电站现场需安装数据采集、数据传输、数据预处理相关设备,包括锚节点、网关节点和前置机,在监控中心部署服务器。系统架构如图1所示。
锚节点沿着巡检路线部署于目标区域及其附近危险点的监测区域。锚节点能够自动组网,采集指定信息并接收其覆盖范围内的信号,包括工作人员移动中不断变化的区域范围和具体的位置信息。通过网关将数据上传到前置机,前置机通过一定的定位算法确定工作人员或外来访客的位置,并确定该人员所处区域是否为非法区域,如果是,系统将自动报警,提醒巡检人员注意安全,提醒外来人员回到合法区域,同时通知相关部门进行应急处理。另一方面,前置机收到或处理后的数据通过内部以太网发送到监控中心的服务器上,将监测信息展示给管理人员,并完成任务的统计和汇总,为工作人员的考核提供参考。
3 系统实现
3.1 锚节点的工作原理
锚节点由微波感应模块、声光报警模块、WSN无线通信模块组成,安装在变电站的危险区域中。用户通过监控中心或者遥控器对锚节点发出布防指令,即对变电站的危险区域进行布防,锚节点根据指令作出布防状态的改变。当布防指令为设防时,微波感应模块开启,此时监控范围内有任何人员侵入,都被视为非法,锚节点立即激活声光报警功能,发送告警信号至监控中心并展现出来,说明此时有人闯入了危险区域。人体感应功能依据微波感应位移模块来实现。此模块可以达到0.3～10 m的感应距离,16级可调,并具有抗射频干扰能力强,不受温度、湿度、光线、气流、尘埃等影响的特点,完全满足锚节点需要。使用微波模块进行布防的优点在于,可以根据危险区域的大小来调整布防范围,而且感应距离的设置和调整方便简单。
3.2 区域重叠的人员定位与跟踪算法
该功能采用区域重叠的定位算法实现,通过布设若干个锚节点,感应人员的到达。基本原理为:若能被一个锚节点感应到,则表示人员在该锚节点的感应区域内;若能同时被几个锚节点感应到,则表示人员在几个锚节点感应区域的重叠区域[4]。
定位图解如图2所示,以A,B,C 3个锚节点为例,设锚节点的摆放位置分别为(xA,yA),(xB,yB),(xC,yC),锚节点的感应距离分别为d1,d2,d3,设其覆盖区域是以感应距离为半径的圆。锚节点之间会有覆盖重叠部分,分为2个或2个以上锚节点的覆盖重叠,或只被1个锚节点覆盖的区域,这2种情况下的定位实现如下。
1)有2个或2个以上锚节点信号覆盖区域。首先计算出重叠部分交点的坐标,然后计算交点坐标的质心,质心就为人员的坐标。以图2中的阴影部分为例,重叠的区域3个顶点分别为p1,p2,p3。
首先计算p1的坐标(x1,y1)
计算p2的坐标(x2,y2)
计算p3的坐标(x3,y3)
然后计算这3个交点的质心,此时人员的坐标(x,y)为:
2)只有1个锚节点的信号覆盖区域。此时人员在该锚节点圆心的周围,以该锚节点坐标作为人员当前位置坐标。
区域重叠定位算法的流程如图3所示。
通过以上2种方法,可以把工作人员的行走轨迹描绘出来,在监控中心的界面上显示,实现了人员的跟踪。
区域重叠定位算法的优势在于,利用微波感应进行区域布防,可以调整不同的感应距离,工作人员或外来人员均不需要佩戴移动标签,既简单又便捷,该定位算法通过2个不同区域的坐标确定,可以对人员的位置坐标进行确定,并展现其移动轨迹。
3.3 声光报警
现场和监控中心都具有声光报警的功能,现场的声光报警在入侵的时间段内一直持续,并且程度也随之增强,直至侵入终止为止。与此同时,监控中心的声光报警在入侵终止后仍一直持续,警示管理人员,直到管理人员采取措施为止。监控中心的声光提示可以即时关闭,但不影响画面显示和下一次报警[5]。
3.4 监控中心
监控中心的后台软件主要是对现场的情况和上传的数据进行实时展示,显示各个时间点工作人员位置以及行动轨迹,使得管理人员可以清晰地监控现场的情况,并且可以对发生的紧急情况进行处理[6,7]。后台软件具有系统管理、基础数据管理、电量管理、任务管理和综合查询等功能,方便各级用户使用。
4 结语
文章设计的定位跟踪系统,将微波感应模块、WSN无线通信网络与监控后台相结合,可以有效地对变电站内工作人员及外来人员进行定位跟踪。对人员靠近危险作业区域、误入非作业区域等非法行为进行声光告警,并能展现作业路线,实时展现和回放运动轨迹,做到了实时、有效的监控。这在一定程度上加大了对变电站监管的力度,提高了变电站作业的安全性与规范性。
摘要：为了加强对变电站工作人员的监督,设计了基于无线传感器网络技术的变电站人员定位跟踪系统。该系统通过微波感应模块对危险区域进行布防,采用区域重叠定位算法进行人员定位跟踪,对非法人员进行声光告警,利用WSN通信节点进行数据传输,通过后台监控中心显示相关信息,有利于对相关人员进行实时、有效的监控,确保变电站作业的安全性与规范性。
关键词：无线传感器网络,定位跟踪系统,区域重叠定位算法
参考文献
[1]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]黄绪勇,刘沛,苗世洪,等.无线传感自组网在电力监控中的应用动态[J].电力系统自动化,2007,31(7):99–103.HUANG Xu-yong,LIU Pei,MIAO Shi-hong,et al.Application of wireless sensor networks in power monitoring system[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(7):99–103.
[3]张强,孙雨耕,杨挺,等.无线传感器网络在智能电网中的应用[J].中国电力,2010,43(6):31–36.ZHANG Qiang,SUN Yu-geng,YANG Ting,et al.Applications of wireless sensor networks in smart grid[J].Electric Power,2010,43(6):31–36.
[4]BULUSU N,HEIDEMANN J,ESTRIN D.GPS less low cost outdoor location for very small devise[J].IEEE Personal Communications Magazine,2000,7(5):28–34.
[5]梁湖辉,张峰,常冲,等.基于Zigbee的变电站监测报警系统[J].电力系统保护与控制,2010,38(12):121–124.LIANG Hu-hui,ZHANG Feng,CHANG Chong,et al.Zigbee-based substation monitoring and alarming system[J].Power System Protection and Control,2010,38(12):121–124.
[6]李娜,陈晰,吴帆,等.面向智能电网的物联网信息聚合技术[J].信息通信技术,2010,4(2):21–28.LI Na,CHEN Xi,WU Fan,et al.Study of information aggregation technology on the internet of things for smart grid[J].Information and Communications Technologies,2010,4(2):21–28.
无线跟踪系统 篇7
关键词：无线电频率,RFID技术,项目质量管理
目前各类无线电技术和业务已在我国国防、公安、武警、通信、广电、铁路、航空、航天、气象、渔业、科研、减灾、电力、物流、传媒等部门和行业得到广泛应用, 涉及政治、经济、国防、文化建设的方方面面。无线电技术的广泛应用使有限的无线电频率和卫星轨道资源的紧缺性日益突出, 也给无线电管理工作带来了更多的挑战。
(1) 公众移动通信成为发展最快的无线电业务, 对无线电频率的需求大幅上升。随着3G网络建设和业务推广应用的全面展开, LTE和未来IMT系统的发展, 以及移动宽带互联网的建设, 未来的移动通信带宽会更宽, 上网速度会更快, 对无线电频率资源的需求也将更大。
(2) 民航、铁路等工业生产、交通运输部门对无线电技术的依赖度不断加深, 对其专用频率的保护已成为保证安全生产的重要任务。
(3) 少数不法分子利用无线电技术进行违法活动的情况频繁出现。近年来, 一些不法分子利用无线电设备等高科技产品在各类考试中作弊的行为呈蔓延趋势, 严重影响了考试的公平和公正。
(4) 无线电管理法制建设滞后, 社会依法用频意识仍然不强。目前, 我国现行的《中华人民共和国无线电管理条例》已颁布实施16年, 已不能适应经济社会发展和无线电管理工作的需要, 逐步暴露出与行政许可法不相适应、无线电管理行政处罚力度不够、对无线电发射设备生产和销售等流通领域的监管缺失等问题。而且, 随着无线电产品制造成本的不断下降, 随意使用无线电产品、使用仿冒无线电产品、违法违规占用无线电频率的现象普遍存在, 对正常申请使用频率的单位造成干扰隐患。
因此由湖州市无线电管理局的上级部门浙江省经济和信息化委员会联合北京东方波泰无线电频谱技术研究所共同开发了基于RFID的无线电发射设备跟踪监管系统用于日常的无线电管理工作。
1 总体设计原则
(1) 整体性:系统整体设计能有效的实现后台一体化管理, 前端满足各地无委的个性化需求, 系统标准化程度高。
(2) 先进性:采用当代计算机及应用系统发展趋势的主流技术, 技术先进并趋于成熟的, 被公众认可的优质产品。
(3) 实用性:充分利用无委原有设备和数据, 并能够提供与各类现有业务系统进行衔接的良好接口。
(4) 高效性:系统提供对各类事务处理的高效性。使对大容量数据的查询和更新等操作也在较短的时间内迅速完成。对于大数据量的处理, 也能高效地完成。
(5) 可靠性:提供整个系统的可靠运行是系统建设的一个关键因素。
(6) 安全性:保证整个系统的各个部分均有安全措施, 包括内部网络, 数据库服务器, 手持式读写设备, RFID数据均受到保护。
(7) 可扩充性:由于目前计算机和网络等领域技术发展十分迅速, 应用环境, 系统硬件及系统软件都会不可避免将被更新, 系统的可扩充性及版本的兼容性, 直接影响着应用系统和用户需求的发展和功能的提升。
(8) 易用性:系统操作简单, 界面简洁美观。
2 整体逻辑结构
系统网络硬件拓扑设计
如图1所示。
3 系统说明
系统数据采用集中式管理, 本地数据库服务器采用双网卡结构, 其中一个网卡连接到原先的管理系统网络, 通过该接口, 本系统的数据转换程序可以定时将原数据库服务器中的数据转换到本地的数据库服务器中, 同时本地的数据服务器的第二个网卡连接到本地网络, 该网络上有对应的发行RFID标签的工作站, 该工作站连接有RFID读写器, 用于进行RFID的发行写入工作, 在写入数据前, 对数据进行必要的加密。同时该网络通过一个防火墙与联通的CDMA1X网络或移动的GPRS网络建立虚拟连接专网 (VPN, ) , 无委的工作人员通过手持式的RFID读取设备对现场的无线电发射设备上的RFID进行不接触读取, 对获取其中的相关数据进行解密后显示相关设备信息。如有必要则可通过CDMA1X (或GPRS) 网络直接连接到认证比对服务器来做设备的信息查询, 认证比对服务器会将查询结果返回到工作人员的手持式设备的屏幕上, 并将中心数据库查询的信息和标签设备上的信息进行对比, 显示两者的差异, 以便现场人员根据实际结果做出判断。
3.1 电子标签 (RFID)
综合性能、价格等实际情况, 我们采用工作在13.56Mhz的电子标签, 其芯片为TI的TAGIT和PHILIPS的Icode2, 其内部空间有256字节 (可扩展到512bytes) , 可以保存大多数关于无线电发射设备的相关信息, 包括设备编码, 设备单位名称, 地址, 设备型号, 发射功率、频率信息等等, 其保存的数据做DES加密处理, 以防止第三方RFID读写设备进行读取或改写。
该标签可以粘贴在被管理的设备上, 粘贴后该标签不可再被完整的撕下, 如果用户恶意进行拆卸, 就会彻底永久性损坏。另外, 该标签体积非常小, 抗金属底片封装。
3.2 手持式RFID读取设备
采用可以读写13.56Mhz的手持式R FI D读取设备, 具有C D MA 1 X模块或GPRS模块, 可以直接连接到位于无委机房的应用服务器, 该读取设备带有大屏幕液晶屏, 可以显示读取出来的相关信息, 同时该设备内带有解密和解压缩算法, 可以完整读取属于无委下发的被加密的RFID中的内容, 同时该软件带有自我保护功能, 当该设备不慎遗失后, 应用服务器可以远程发出“遥毙”命令, 自动将该解密和解压缩程序销毁, 以防算法和密钥泄密。
3.3 认证比对服务器
认证比对服务器主要实现把远程手持设备传来的需要识别认证的数据与服务器数据进行比对, 并把相关结果返回给远端的手持设备中, 同时带有部分管理设备, 包括对远端设备的登录管理, 查询权限设置, 远程遥毙等等。
3.4 RFID写入工作站
主要完成将数据库中相关无线电发射设备的原始数据写入到RFID中, 在写的过程同时对数据进行压缩、加密和数字签名, 以使写入RFID中的数据不被第三方设备读取跟窜改。
3.5 数据库服务器
保存最新的无线电发射设备的相关数据, 该数据来源于用户已经存在本地的数据库系统或其他相关应用系统, 是用于进行比对是否合法设备的基础。
3.6 CDMA1X或GPRS VPN专网
通过租用联通的无线数据业务, 完成现场实时的数据跟踪比对动作。通过租用移动或联通的VPN专用网络构建, 避免了暴露在公众网络如因特网下的不安全性。该VPN网络通过SIM卡进行VPN认证, 并通过防火墙实现必要的端口映射等功能, 确保网络系统的安全性。
4 系统整体安全措施
由于该系统的数据属于安全级别较高的资料, 因此在整个系统设计上从硬件以及软件角度均充分考虑到数据以及系统的安全性, 并做了特别设计。系统的安全包括以下3部分。
4.1 数据库服务器以及内部网络的安全
如前所述, 整个网络划分为内部网络、外部网络, 内部网络的安全毋庸讳言, 除了加强内部网络的管理, 在技术上主要对网络进行必要的设置, 关闭不必要的端口, 安装杀毒软件等。外部网络采用联通的CDMA或GPRS构建成VPN专网, 外部网络和内部网络之间采用防火墙进行隔离, 并设置相应的访问端口和访问权限。
由于数据库服务器上存储有全部的用户资料数据, 因此该数据库必须做到万无一失, 在网络结构上由于需要于VPN网连接, 因此通过硬件的防火墙进行有效隔离, 防止非法用户侵入本地网络, 另外为了防止对原有数据库以及网络的影响, 本系统通过双网卡的结构与原系统实现物理隔离, 而且本系统的数据转换接口软件只有对原数据库读的权限, 而没有写的权限, 这样彻底杜绝了本系统对原数据库的影响, 做到了硬件和软件的双保险, 同时本地数据库通过严格用户名以及口令的管理, 即使有人能突破防火墙, 也因为没有数据库的用户名和密码使其无法接触到原始用户资料。同时通过系统的定时备份数据功能, 确保本身硬件的损坏不会造成用户数据的丢失。
4.2 RFID上用户资料数据的加密。
由于RFID标签贴在用户设备上, 为了防止第三方通过标准RFID读写设备来读取RFID标签的内容, 系统对写入RFID标签的数据进行DES的加密处理, 只有有对应密钥的读写器才可以正确读出RFID存储的数据, 否则读到的数据是一堆乱码, 用户无法识别。
为了防止用户用户窜改RFID中的有效数据, 系统对RFID中的数据在加密后再进行数字签名, 由于数字签名的有效性, 只要用户窜改某一个数据, 读写器设备马上就可以知道该数据已经被修改过, 所以这样配合上述的数据加密机制, 真正做到RFID上用户数据的双保险。
4.3 手持式RFID读写器 (无线PDA) 的安全性
由于手持式RFID读写器上要进行现场的RFID数据读出, 已经进行解密和数字签名的校对工作, 因此该手持设备中存储有对应的密钥, 为了防止工作人员不慎遗失该手持设备而被他人拿到进行非法应用, 系统对该手持设备同样采取2道安全措施, 1, 该PDA开始后必须输入合法的用户名和口令才可以进入读写系统, 该口令和密码存储在系统的服务器中, 开机后PDA会通过CDMA网络到系统进行验证。2, 对每个PDA进行身份编码, 每个PDA都有唯一的编码, 如果该PDA遗失, 可以立即要求系统管理人员将该编码输入认证系统的黑名单, 如果该认证系统发现该PDA登录到系统来进行用户名和密码的认证时, 马上会向PDA的程序发出软件遥毙指令, 该指令直接命令PDA将RFID读写以及验证程序和相关的密钥进行永久性删除, 这样可以确保流失的密钥和加密算法不被其他人获取, 彻底保证了整个系统的安全性。
5 结语
总之, 随着无线电管理业务和计算机技术的迅猛发展, 频谱管理业务的信息化处理已经是一种必然的趋势, 而本文研究的基于RFID的无线电发射设备跟踪监管系统就是这一趋势下的产物, 和传统的手工处理方式相比, 它具有缩短办公时间;提高数据准确性;提高频谱管理工作水平;节约办公成本;延长数据保存时间等优势, 希望这套系统最终能全方位地服务于无线电管理工作, 极大地提升无线电管理部门的工作效率。
参考文献
[1]徐永成, 罗日荣, 陶利民, 陈循, 杨述明 (2008) .射频识别技术国内外应用现状、问题与对策.《测控技术》2008, 27, 11.
[2]游战清, 李苏建 (2005) .无线射频识别技术 (RFID) 理论与应用[M].电子工业出版社.
[3]NTT COMWARE株式会社 (2007) .RFID的现状和发展趋势[M].人民邮电出版社.
[4]赵士军, 张锦, 刘开元. (2007) .RFID在供应链中的应用[J].重庆交通学院学报.26 (1) .147-151.
[5]赵世伟, 张洪顺, 余翼龙, 高伶 (2010) .对我国无线台站管理现状的分析与思考.中国无线电2010年第二期.
[6]郭金华 (2010) .抓住改革机遇服务发展大局全面提升管理工作水平.中国无线电2010年第二期.
[7]北京市无线电管理局 (2010) .加强频率台站管理, 做好大型活动无线电安全保障.中国无线电2010年第一期.
[8]张虹 (2009) .站在新的历史高度重新认识无线电管理工作.中国无线电2009年第八期.
[9]薛之刚, 胡之源, 刘斌, 王新民 (2007) .利用RFID技术进行资产管理初探.中国无线电2007年第五期.
[10]周章旺, 张金耀 (2007) .RFID在无线电基站设备管理中的应用.中国无线电2007年第五期.
[11]邹三庚 (2009) .浅议无线电管理信息化.中国无线电2009年第三期.
无线跟踪系统 篇8
无线传感 器网络 (WSN: Wireless Sensor Network) 是一种由大量的微型传感器节点组成的数据网络系统,主要用于在网络覆盖范围内进行信息的采集、分析和处理,并将数据返回到控制中心。无线传感器网络中的每个传感器节点通常是由低功耗微控制器,无线电收发器和用于监测的传感器组成。
本实验平台中,共有9个micaz节点组成,每个节点间隔2m,占面积4m*4m。每个节点上有六组srf08超声传感器用来测量距离,声纳探测距离为4M,探测角度范围为0° ~360°。SRF08超声波测距仪利用回声探测,计算目标到SRF08之间的距离。射频信号来传送位置信息,射频信号传输距离100M.。传感器节点上的6个SRF08测距仪轮循检测目标,如果检测到目标,通过I2C总线把将数据上传到Micaz,进行数据处理。否则认为目标不在其检测范围内。
1节点的硬件设计
1.1Micaz处理器射频板
处理器芯片采用Atmel公司的AVR系列,无线电收发模块采用使用Chipcon公司的CC2420(2400兆赫至2483.5兆赫频段),符合IEEE 802.15.4标准,微控制器由Atme128集成。它有51引脚的I / O连接,串行闪存。
1.2SRF08超声波测距仪
探测距离 为3cm至6m,发射频率40khz,发射强度 固定,增益在94到1025范围内可调,采样频率可自由设定。SRF08和micaz的通信通过I2C总线实现。
1.3MDA100CA数据采集板
连接micaz和SRF08的中间设备。
1.4MIB520编程板
下载程序和传输数据到主机,作为基站来用。
2系统软件设计
2.1 Tiny OS嵌入式系统
它是基于一种组件的构架方式,使其能够快速实现各种应用。Tiny OS的程序采用模块化设计 , 在构建无线传感器网络时 , 会有一个基地控制台 , 主要用来控制各个传感器子节点 , 并聚集和处理它们所采集到的信息。
2.2实现目标跟踪的算法
采用EKF跟踪算法,实现对目标状态的估计预报。目标运动的状态方程和传感器节点i的测量方程分别为(1),(2)
系统状态为 :运动目标和传感器节点i之间的实际距离为 :假设k时刻移动目标的状态为X(k) ,,对状态的估计为,最优滤波估计协方差阵假设在k+1时刻,第j个节点对目标进行测距,则对第j个节点的预测状态为, 根据EKF滤波递推方程可以如下计算 :
第k+1个时刻Kalman滤波器输出为 :
预测估计误差协方差阵 :
第j个节点的预测测量值 :
新息序列为在k时刻,第j个节点的测量值与对第j节点的预测测量值之差 :
新息序列的协方差 :
扩展卡尔曼滤波增益矩阵方程 :
状态估计更新 :
应用上述方程对生成的数据进行多次迭代处理 , 即可得到满意的滤波输出。
2.3跟踪原理
某一时刻只有一个节点的声纳进行测距,当目标进入WSN,唤醒在检测区域的节点,该节点将依次唤醒相邻节点。通过三角定位获得目标的初始值(x,y),工作节点测距、运行EKF、预测目标下一时刻位置并发送给基站。工作节点通过射频信号发送令牌唤醒下一节点作为工作节点。
3实验效果图
室内条件下声纳参数设置 :采样时间在70ms左右,可抗干扰。接受增益在100左右,需根据室内环境调整,电压在4.8V左右。Lab View界面是从基站获得目标的位置等信息,并实时显示跟踪效果。效果图1。
从实验来看,本系统已经达到对移动目标的较好的跟踪精度和较低的能耗。有较好的跟踪误差、低失跟率和高实时性。由于采用声纳测距,系统对环境要求较高。系统在切换任务节点时,尤其是在到正方形四个角的时候,短时间内有死区,效果不是太理想。
4结束语
无线跟踪系统 篇9
1.1 现阶段无线传感器网络
无线传感器的三个重要要素分别是:传感器、感知对象和观察者。通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。
1.2 传感器网络的体系结构
大规模布放的无线传感器网络, 节点通过飞机撒播、机器投射等方式, 大规模的监测对象内部和周围的信息, 有着广阔的覆盖领域, 无线传感器网络的一个典型体系结构包括了传感器节点、汇聚节点、Internet或通信卫星、任务管理节点以及观察对象可以实现监测区域内任意地点、任意时间的信息采集、处理和分析, 最终通过Internet或者通过卫星讲这些传感器网络与任务管理节点通信, 对任意区域监测到的数据进行高效处理, 然后整合数据提供给使用者。
2 现代无线传感器网络的目标跟踪算法及原理
2.1 由于目前无线传感器网络跟踪的的算法有很多种, 暂时还没有统一的标准进行分类, 以下是简单的说吗现代跟踪算法的特点
(1) 集中式算法。集中算法是把所需的信息传送到处理中心, 由信息处理中心实现地位, 跟踪方式处理, 优点是全局统筹兼顾, 计算和处理量几乎没有限制, 并且有较好的追踪效果, 缺点是信息量过大, 汇集点很集中, 如果系统休克则网络不可用则无法实现定位。
(2) 传送树跟踪算法。由研究者提出的传送树算法是一种分布式算法, 与之前的大部分提出了一种传送树 (convey tree) 算法。这种算法是一种分布式算法, 而之前的大多数跟踪算法是以集中式为主的, 传送树结构是一种由移动目标附近的节点组成的动态树型结构, 并且会随着目标的移动动态地添加或者删除一些节点, 首先保证高效性而且可节省时间和开销。但是需要动态融合计算所以能量消耗比较大, 所以要选取合适的融合节点。
2.2 现代无线传感器目标追踪的原理和方法
(1) 在目标节点位置附近活动是, 可以通过多种方式获得节点和目标位置关系的信息, 有距离和方向等关系。测量距离的方法很多, 比如测量目标发出信号的能量强度, 信号之前传播的条件和外部环境都会有不同程度的影响着传播时间差等等。还可以通过几何位置得出。在获得节点的测量和通信是个向同性的, 这样可以通过目标的未知精确估计使得传感器有时候可以测出目标速度的信息。
(2) 但是在自然条件下误差的存在是不可避免的比如有噪声的状态下, 通常使用滤波算法对目标状态进行分析, 离目标节点越远, 测量的误差越大。
3 现代无线传感器网络目标跟踪关键技术
无线传感器网络是如今信息领域非常热门的研究热点, 而且是一种多门学科交叉的领域传统而又新兴的技术, 有着非常多的研究价值, 所以必须要了解关于技术性的研究以下就是研究内容:
3.1 目标定位算法、无线传感器网络目标定位可以分为以下三个过程
(1) 节点检测到目标到监测区域, 测量目标到节点的距离。
(2) 检测到目标的节点呼唤节点位置, 然后将信息发送到汇集节点。
(3) 若第一个点或者汇聚节点能够接受到多个节点发送的具体目标的位置, 就计算当前的目标的距离。根据定位方式, 要将现在又的无线传感器网络节点定位分为:基于测距的方法和不基于测距两种。
3.2 无线传感器网络测距的定位方法
基于现代测距的定位方式要求测量未知节点到标记点之间的距离和角度的信息, 使用三边测量法或者最大近似值法等方法计算未知点的位置, 这种定位机制需要两个点的具体位置和角度与距离等详细信息, 又通常采用以下的方法:
(1) 到达时间定位法。使用信号传播的到达时间来测量具体, 在此定位中, 假设电播波从锚节点到未知节点的传播时间为t, 速度是c, 所以锚点到位置点的距离是txc。到达时间通过测量信号传播的时间来测量距离。在TOA定位中, 假设电波从锚节点到未知节点的传播时间为t, 电波传播速度为c, 则锚节点到未知节的距离为t*c, 这种方法要求接收信号的锚节点或未知节点知道信号开始传输的时刻, 并要求节点有非常精确的时钟, 能够进行时间同步。GPS是此方法常用的方法。
(2) 时间差定位法。时间差 (TDOA) 定位与TDOA测距不同, TDOA测距用计算不同无线网络信号到未知节点的实际那差和速度, 计算未知点到锚点的距离, TDOA定位是计算两个锚点信号距通过多个锚点的距离差算出自身的未知。
(3) 到达角定位法。到达角 (AOA) 定位法是用阵列天线和多个接收器结合, 得到挨着节点发送信号的方向, 得到从接收机到发射机的指向线, 两条线的交点就是位置节点的未知了。
4 现代无线传感器网络的目标跟踪算法应用
基于现代无线传感器网络的目标跟踪算法的应用范围是非常广泛的, 包括了环境监控、军事应用、家庭休闲娱、数码科技等等。如:在军事上面无线传感网络对目标的追踪可以收获信息、了解和掌握敌人的行踪、战场上的监控。还有比如在地震多发的地方能用无线传感器追踪信号, 来预测地震发出预警警报或者地震后发出信号还有位置, 可以使救援区域能够很快划分, 节省救命时间。在医学上也有着广泛的应用, 植入病人体的传感器可以随时的检测病人的健康状态, 在危险的环境进行勘察的时候也能起到提前检测的作用。
5 结语
综合上述无线传感网络的目标跟踪算法的结构、原理、使用方法、应用和前景的了解, 得知无线传感网络的优点大概有:高效性、广泛性、可调整性和适应性。定量的分析节点数量和放置位置可以得出区域内的绝对坐标, 从而可以精确的测量出使用者需要的数据。我们希望它能发展的更好更具有实用性和经济性, 更低的耗能, 更加灵活的拓展性和组织性都是研究的目标。
参考文献
[1]孙亭, 杨永田, 李立红.无线传感器网络技术发展现状[M].电子应用技术, 2006.P58-64.
[2]沈笑慧, 张健, 何熊熊.基于接收信号强度指示加权融合的定位算法[J].华侨大学学报 (自然科学版) , 2012 (06) .
无线跟踪系统 篇10
1 无线传感器网络探测跟踪目标
1.1 目标探测
传感器网络由大量部署在监测区域内的传感器节点组成, 当有目标进入监测区域时, 由于目标的辐射特性, 通常是红外辐射特征、声传播特征和目标运动过程中产生的地面震动特征, 传感器会探测到相应的信号, 因此音频传感器、震动传感器常用于探测跟踪目标。两者中震动传感器提供的探测范围大, 音频传感器的探测范围次之。
1.2 跟踪过程描述
假定一个物体进入事先布置和组织好的无线传感器网络监测区域, 如果感测信息超出了门限, 这时每一个处于侦测状态的节点传感器能探测到物体, 然后把探测信息数据包发送到汇聚节点。汇聚节点从网络内收集到数据后对信息进行融合得出物体是否是威胁的结论, 如果目标是一个威胁, 传感器网络在监测区域内将使用一个跟踪运动目标的算法, 随着目标的运动, 跟踪算法将及时通知合适的节点参与跟踪。
2 基于无线传感器网络的运动跟踪原理分析研究
2.1 跟踪原理分析
基于无线传感器网络运动跟踪是运动目标被无线传感器节点感知的过程。每个WSN节点到运动目标的距离:
其中 (xi, yi) 为节点的位置, (x, y) 为运动节点的位置。根据计算的距离, 判断目标是否在感知范围内。
设传感器节点有N个节点感知运动目标, 可以设计一种估计方法判断运动目标的位置, 最简单的方法是采用计算所有距离的平均值作为运动目标的评估位置, 则:
则评估位置节点到运动目标的距离:
最后运用MATLAB软件编程实现跟踪仿真, 仿真出运动目标与WSN跟踪检测估计的关系图和估计位置误差图。
2.2 仿真部分
假定WSN的一个监测区域, (px (j) , py (k) ) 为传感器节点的位置, (hx, hy) 为运动节点的位置, (gx, gy) 为运动目标的评估位置, 用黑色*表示无线传感器网络节点, 用红色*表示仿真运动节点, 用绿色*表示运动目标评估位置节点, 用蓝色*表示估计位置误差点。
(1) 当运动目标以直线y=2*x进入无线传感器网络时;
(2) 当运动目标以曲线y=x^2进入无线传感器网络时;
小结:基于无线传感器网络运动跟踪是运动目标被无线传感器节点感知的过程。从仿真图上可以看出, 随着传感器网络节点数和仿真运动节点数的增多, 运动跟踪的精度也提高, 但仍需考虑仿真运行的速度, 故本课题选取适量仿真节点。
3 结束语
无线传感器网络由于其灵活性、成本低、易于布置等特性, 在目标探测跟踪领域会有广泛的应用前景.本文介绍了无线传感器网络的体系结构, 探讨了无线传感器网络探测跟踪目标的策略和方法, 论述了无线传感器网络目标跟踪中需要解决的问题, 重点讲述了运用无线传感器网络的大量分布, 研究对运动目标进行分析的方法, 分析误差。
参考文献
[1]李志刚, 屈玉贵, 刘桂英.用无线传感器网络探测跟踪目标[J].通信技术, 2006, 12:72-75
[2]从玉良, 王宏志.数字信号处理原理及其MATLAB实现[M].电子工业出版社.2005