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1、个人资料整理仅限学习使用 淮 阴 工 学 院 毕业设计 (论文开题报告 学 生 姓 名：学 号： 专业：电子科学与技术 设 计 ( 论 文 题 目： 集群室内实时定位系统 软件设计 指 导 教 师: 2018 年2 月1 0 日 个人资料整理仅限学习使用 毕 业 设 计显得越来越重 要。在室外环境下，全球定位系统(GPS 已经比较成功地解决了定位问题，它通过GPS 接收机测量来自 524 个卫星信号的到达时间差 (TDOA 进行位置估算 1 ，可以提供接近 全球的定位覆盖范围。但GPS采用的微波极易被浓密树林、建筑物、金属遮盖物等吸 收，因此， GPS 只适合在户外及天空开阔度较佳处使用。在室
2、内场合，由于信道环境 复杂、微波信号衰减厉害、测量误差大，GPS 无法满足人们对活动频繁的室内定位和 导航的需求 2 。但是室内却是与人类生活生产关系最密切的场合，室内定位服务存在大 量应用需求，譬如仓库里面某些存储产品的位置检测、传输带上的商品检测、医院里 医护人员或者仪器的位置、失火建筑物中消防人员的位置、以及遍布在工厂里面的贴 有标签的保养工具等等，因此研究室内定位技术具有十分重要的意义 34 。 2 国内外的研究状况及趋势 2.1 室内定位常用的方法及优缺点 室内定位技术主要包括超声波定位技术、红外线定位技术、超宽带定位技术、射 频识别定位技术等。超声波室内定位抗干扰性强，定位精度可达
3、厘M 级，但超声波在 传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围，并且需要大量的底层硬件设施，成本 太高、无法大面积推广 5 。红外线室内定位通过红外发射机向室内固定放置的红外接收 机周期发送该待测物唯一ID，其定位精度能达到510m ，但红外定位技术功耗较大， 红外线在传输过程中易于受物体或墙体阻隔且传输距离较短，容易受室内灯光的干 扰，定位系统复杂度较高，有效性和实用性较其它技术仍有差距 6 。超宽带室内定位是 近年来新兴的一项基于极窄脉冲的无线技术，系统包括UWB 接收器、 UWB 参考标签和主 动 UWB 标签，常采用 TDOA 测距定位算法，定位精度为可达到610cm ，但造价较高、无
4、 法大面积推广 7 。射频室内定位采用非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目 的。这种技术这种技术作用距离短，一般最长为几十M 。但它可以在几毫秒内得到厘M 级定位精度的信息， 毕 业 设 计和移动节点 (或称盲节点、标签 构成系统的，参考节点为静态节点，它们发送位 置信息和 RSSI 值给移动待测节点，该节点将数据写入定位模块，分析计算得到自身位 置。该系统常采用分布式节点设置，可以减少网络数据工作量和通信延迟的问题。定 位精度在 2m以内，但网络稳定性还有待提高，且易受环境干扰 1112 。 2.2 ZigBee定位技术 ZigBee 定位技术分为基于距离的定位和非基于距离的定位 1
5、314 。节点测距技术是 基于距离的节点定位技术的基础。常用的测量节点间距离的方法主要有TOA( Time of Arrival，TDOA(Time Difference of Arrival、超声波、 RSSI(Received Signal Strength Indicator和 TOF(Time of Light等。TOA和 TDOA 测距技术都是通过信号 的传播时间和信号的速度两个参数来计算距离的，无线信号传输速率大，时间测量上 很小的误差就可能导致距离上很大的误差，并且TOA需要昂贵的设备来保持时间同 步，能量消耗大。超声波测距方法是指当发射节点发射的超声波遇到障碍物时就会发 生反射
6、，反射波可由接收器接收，这样只要测出超声波从发送点到反射回来的时间间 隔t ，就能测距 1516 。利用超声波测距很精确，测量误差只有10 cm，但由于超声波 是一种声波，易受环境温度、湿度等因素的影响。此外，需要额外的硬件支持，增加 了节点的硬件成本和尺寸 17 。RSSI是最基本的测距方法，基本不需要额外的硬件设 备，实现方法简单。在基于接收信号强度指示RSSI的测距中，已知发射节点的发射信 号强度，接收节点根据收到的信号强度计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型 将传输损耗转化为节点间的距离 18。 个人资料整理仅限学习使用 毕 业 设 计方法 1920 ，TOF 属于双向测距技术，它
7、主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver之间往返的飞行 时间来测量节点间的距离。在信号电平比较好调制或在非视距视线环境下，基于RSSI 测距方法估算的结果比较理想；在视距视线环境下，基于TOF 测距方法估算的结果比 较理想，是随距离呈线性关系的。因此，基于TOF 距离估算方法能够弥补基于RSSI距 离估算方法的不足。本工程在综合了解各种测距方法的优缺点后，提出RSSI和 TOF联 合应用的测距方法，以期提高定位系统的精确度。 个人资料整理仅限学习使用 毕 业 设 计:67- 70. 4张婵爱等 .基于 RSSI的加权质心定位算法的实现. 太原理工大学学报,2009,40(2. 5熊
8、志广 ,石为人 ,许磊 ,贾传江 ,王海员 .一种基于加权处理的三边测量定位算法.计算机工程与应用, 2018. 6魏东兴 ,冯锡钰 ,刑慧玲 .现代通信技术(第 2 版M. 北京 :机械工业出版社,2003,8: 209220. 7顾瑞红 ,张宏科 .基于 ZigBee 的无线网络技术及其应用J.电子技术应用 ,2005,31(6. 8程丽君 ,谢晓佳 .入井人员跟踪定位系统方案选择及基于Zigbee 网络平台的人员跟踪定位系统研 究D. 重庆 :重庆大学 ,2007. 9宋保业 ,许琳 .带定位引擎的射频芯片CC2431J. 单片机与嵌入式系统应用,2007,35(11:44-46. 10
9、 倪巍 ,王宗欣 .基于接收信号强度测量的室内定位算法J.复旦学报 ,2004,43(1:72-76. 11 高畅 ,王珂 .基于 RSSI的无线传感器网络高速公路定位算法D. 吉林 :吉林大学 ,2007. 12 Ni Lionel M.,Liu Yunhao,Lau Yiu Cho,etal.LANDMARC:indoor location sensing using active RFIDA.Pervasive Computing and Communications, 2003.Proceedings of the First IEEE International Conference
10、C.2003: 407-415 13 湛 浩 晏 ,孙 长 嵩 ,吴珊 ,等 .ZigBee 技 术 在 煤 矿井 下救 援 系 统 中 的应 用 J.计算 机 工 程 与应 用,2006,42(24:181. 14 李兴鹤 ,胡咏梅 ,宋吉波 ,等 .基于LANDMARC系统的室内定位仿真研究J.计算华南理工大学硕 士学位论文 . 15 Bin Ismail M.,Fathi A., Boud A., etal.Implementation of Location Determination in a Wireless Local Area Network (WLAN Environment
11、A.Advanced Communication Technology, 2008. ICACT 2008. 10th International ConferenceC.2008:894-899 16 Youssef, M., Agrawala, A Handling samples correlation in the Horus systemJ.INFOCOM 2004, Twenty-third AnnualJoint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies,2004,2: 1023-1031. 17 Z
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14、& Tutorials,IEEE,2009:13-32. 个人资料整理仅限学习使用 毕 业 设 计基站和标签的软硬件设计 标签通过获取参考节点的坐标位置和信号强度RSSI 值，利用自身的定位引擎来计 算自己的位置，并将位置信息发送给基站。基站即参考节点，其位置固定，为定位标 签传送一个参考位置和信号强度值，并将标签的位置信息上传到服务器进行解读，并 不需要定位引擎支持。因此，本工程拟采用STM32F搭配 CC2430设计基站， MSP430 搭 配 CC2431设计标签。 (2标签的自动检测研究 针对传统的采用轮询方式获取定位信息，存在移动点增加后刷新频率显著变慢、 服务器效率低下等问题，研究
15、标签主动上报方式。通过集群式基站自动检测其附近的 移动标签，主动向服务器汇报基站与标签的相对距离，由服务器进行解读，提高服务 器效率。 (3标签的防冲突协调机制研究 当基站信号作用范围内有多个标签时，同一时刻可能有两个或多个标签向基站发送信 息，使基站不能正确识别标签，即发生了标签冲突和碰撞。因此，需要研究一种防冲 突技术以减少冲突达到快速准确识别多个标签的目的。 (4服务器定位坐标软件算法研究 要想对标签准确定位，必须在服务器端研究一种高效的算法来解读处理集群基站上报 的数据，目前有基于测距算法和无需测距算法，前者有RSSI、TOA 、TDOA 、AOA ，后者 有质心法、 DV-Hop 算
16、法、 Amorphous 算法和 APIT 算法。本文在研究各种算法的基础 上，提出基于 RSSI和 TOF的定位坐标软件算法。 研究实验方法及技术路线基于 STM32F+CC2430MSP430+CC2431的基站和标签的设计 基站是一个安装在已知位置的静态节点，这个节点知道并能在其他节点请求时返 回它自己的位置，基站并不需要定位引擎的硬件应用，也不需要负责任何计算。因 此，采用 DM9000作为以太网芯片、 CC2430作为无线收发芯片、 STM32F107V 作为核心 处理器，需要提供5V、3.3V 和 2.5V 电压。标签采用MSP430 单片机作为核心处理器、 CC2431作为定位芯
17、片、钮扣电池供电、RT9183作为电源芯片，提供2.5V 电压。基站 和标签的硬件结构框图如图2 和图 3 所示。 CC2430STM32FDM9000 以太网接口 图 2 基站硬件结构框图 MSP430CC2431 图 3 标签硬件结构框图 个人资料整理仅限学习使用 (2 基于集群式基站的移动标签的自动检测 通过集群式基站自动检测其附近的移动标签，主动向服务器汇报基站与标签的相 对距离，提高服务器效率。具体实现如图4 所示，每个基站通过以太网口接入局域 网，可实时与服务器进行数据交互，定位标签每隔一定时间广播一个数据包( 包括 ID 和时间索引 ，基站收到广播数据包后，查询本基站与定位标签的
18、距离，并上报给服务 器，服务器通过分析汇总多个基站发送的数据包(包括基站ID，标签 ID，距离及时间 索引，可以计算出标签在当前时间索引下的坐标，并显示出来。通过此种方式，基站 主动上报标签与其距离，服务器只需不断解读基站数据，从而大大提高了标签的刷新 速率，定位标签及定位基站易产品化，定位系统也易通用化。 基站基站 基站 基站 基站 基站 基站基站基站 标签 标签广播 基站获 取距离 基站获 取距离 基站获 取距离 基站获 取距离 图 4 标签自动检测原理框图 (3基于 RSSI+TOF 的测距定标算法 RSSI定位是根据接收节点收到的信号强度，计算出信号的传播损耗；利用理论与 经验模型，将
19、传输损耗转化为距离，再计算出节点的位置。其理论模型： 00 ( )()10 log(/)p dp dndd TOF测距是基于飞行时差的测距方法，属于双向测距，它主要利用信号在两个基站 之间往返的飞行时间来测量节点间的距离。在非视距视线环境下，基于RSSI 测距方法 估算的结果比较理想；在视距视线环境下，基于TOF测距方法估算的结果比较理想。 因此，本工程联合采用RSSI 和 TOF来进行测距，并且将算法交给后台服务器进行处 理。 个人资料整理仅限学习使用 参考文献 1 常太华等 .检测技术与应用 M. 北京：中国电力出版社， 2003，8 2 黄贤武等 .传感器实际应用电路设计M. 北京：电子
20、科技出版社，1997，6 3 王仲生 .无损检测诊断现场实用技术M. 北京：机械工业出版社 , 2002年 4 卜云峰 .检测技术 M. 北京：机械工业出版社， 2007，11 5 丁镇生 .传感及遥控遥测技术应用 M. 北京：国防工业出版社 , 2003,1 6 古天祥等 .电子测量 M. 北京：机械工业出版社 , 2004,8 7 沙超等 .无线传感器网络硬件平台的研究与设计M. 北京：电子科技出版社， 2006 8 樊冰，孙文盛 ZigBee技术及其应用研究 J大众科技， 2007,12） 9 蒋伟民，毕红军五种主流近距离无线技术比较J科技资讯， 2007 10 周倩工业无线网络技术研究与应用D 大连：大连理工大学硕士学位论 文， 2007 个人资料整理仅限学习使用 毕 业 设 计论文）开 题 报 告 指导教师意见 ： 个人资料整理仅限学习使用 1对“文献综述”的评语： 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计论文）结果的预测： 指导教师：手写签名） 年月日 所在专业审查意见： 负责人：手写签名） 年月日