文 典， 谢维成， 胡 锐， 杨加国， 蒋文波

(1.西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039； 2.成都大学 信息科学与工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

ZigBee[1]无线监控母线槽系统能够实时监测和采集覆盖在其网络区域内的母线槽接头及插接箱信息，然而母线槽系统规模庞大复杂，一旦接头处温升超过阈值引发电气火灾，后果难以控制。如何在众多监测点中定位温升异常点显得尤为重要。接收信号强度指示(received signal strength indication,RSSI)技术的定位方法[2]无需额外安装硬件，RSSI值可由母线槽监测节点设备提供测量。而楼板遮挡与人员走动导致环境变化，使无线信号受到反射、散射、衍射和多径效应影响增加，导致RSSI值测量不准确，定位误差增加。文献[3]通过对整体环境分割，增加锚节点的密度提升了子区域拟合环境参数精度，改进定位精度，但增加锚节点密度制约了网络扩展性能也增加了网络成本。文献[4]通过改进质心定位算法来提升定位精度，但忽略了多变的环境、采用经验值的信号衰减指数对测距的影响。文献[5]采用多维标度法求解RSSI值构建的相异性矩阵，以粒子群算法来优化坐标变换参数，提升了算法的抗干扰能力。上述算法都能在定位精度和克服环境影响方面得到提升，但普遍存在计算量和通信开销偏大的问题。

本文考虑成本和开销，参照母线槽无线监控系统监测节点布置情况，以RSSI值的大小排序决定参与定位的锚节点，动态修正信号衰落参数，再用锚节点自定位修正测距误差，最后加权质心计算出节点坐标。通过仿真实验可知算法提高了环境适应能力，定位误差满足母线槽监测参数异常节点的定位需求。

1 系统结构与网络

ZigBee无线监控母线槽系统结构由现场监测模块、监控服务中心及远程监控3部分组成。

现场监测部分由上千个ZigBee无线传感器模块组成无线传感器网络定位系统。为满足综合体建筑母线槽配电系统众多监测节点的网络需求，采用网状网络拓扑结构，网络覆盖区域大且扩展性强，具有自组织能力和自愈性，数据可以多方灵活传输,当有个别节点失效时也能保障数据传输的可靠性。

2 RSSI定位测距

2.1 无线信号损耗模型分析

2.2 环境参数值实时修正

复杂的室内环境中，衰减值可能会有很大差异。因此，将整个区域划分为几个子区域以提高精度是合理的，但即使在相同的环境下，季节或天气的变化，都会改变信道特征。为了进一步提升模型的环境适应能力，运用已知锚节点坐标这一特点[7]，一旦知道异常节点附近子区域内的任意2个锚节点，可得信号损耗指数n(RSSI-Q)/(10lg(d))，但任2锚节点确定参数可能产生较大误差，因此，选择异常节点接收RSSI值最大的3个锚节点，即理论上距离异常节点最近的3个锚节点来修正参数。如图1所示，假设O为异常节点，A,B,C为选择参与定位的3个锚节点，可认为4个节点处在相同的特征环境内。锚节点A，B，C坐标距离已知，且相互之间可通信，可由此计算出信号衰减模型中的参数Q和n。

当B，C接收到A发射的信号分别为RAB,RAC时，有

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求解可得到nA,QA。同理可计算出锚节点B,C的参数分别为nB,QB,nC,QC。

考虑A,B,C三点对O点的不同影响，以O点接收到A,B,C三点的RSSI值RAO,RBO,RCO为权值求平均，得到参数异常节点动态子区域的环境参数

(2)

由此修正测距模型计算节点间的距离d。

2.3 二次修正测距

3 加权质心求解节点坐标

由无线信号损耗模型可知，节点间的距离d与RSSI值成反比，距离越小可靠度越高，因此，将距离信息作为权值加入质心定位算法中提高定位精度。

由前述计算出异常节点到锚节点A，B，C的距离分别为d1，d2，d3。以w=1/d的倒数作为权值，得到异常节点x坐标值为

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同理，可得到y,z的坐标。权值中的m为权值调整系数，能够调整权值修正程度。在MATLAB仿真实验中，得到当m=3.5时效果较好。

4 仿真实验

在MATLAB软件中进行定位仿真实验。实验仿真环境设置为10 m×15 m×20 m区域。选择60个节点设置为锚节点，假定异常节点10个。节点坐标如图2所示。

图2 节点坐标示意

当监测节点参数飙升超过阈值则认定异常，发出定位请求。在仿真实验中根据假定的异常节点位置,各锚节点通过改进的信号衰减模型得到接收功率。为了模拟建筑内的环境干扰，添加标准差σ为3的高斯随机变量作为RSSI的测量值计算距离，信噪比为1︰5。由定位坐标与实际坐标间的欧氏距离表示误差E

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如图3所示为假定的10个异常点的预设位置与定位位置的仿真结果。

图3 实际坐标与定位坐标

可以看出,10个未知节点中，节点10误差最小(0.83 m)，节点9误差最大(1.49 m)，平均误差为1.19 m。

图4为误差比较，可以看出修正后节点误差降低。因母线槽接头位置间距以及楼板间距离都普遍大于最大误差距离，且水平平均误差0.9 m，垂直平均误差0.23 m，仿真实验结果较理想。

图4 误差比较

5 结 论

配电系统的要求越来越趋近智能化，大型商住一体建筑的用电安全尤为重要。结合ZigBee无线监控智能母线槽系统，无需安装其他硬件设备，针对参数异常节点附近区域动态修正环境参数,优化无线信号损耗模型后二次修正测距，计算异常节点坐标。仿真实验结果较理想，可应用于母线槽系统温度监测参数异常点定位。