集群室内实时定位系统软件设计专项方案开题报告.doc

淮 阴 工 学 院
毕业设计(论文>开题汇报

学 生 姓 名：

学 号：

专 业：
电子科学和技术
设计(论文>题目：
集群室内实时定位系统

——软件设计
指 导 教 师:

年
2
月
10
日

毕 业 设 计<论文）开 题 报 告
1．结合毕业设计<论文）课题情况，依据所查阅文件资料，每人撰写
字左右文件综述
文 献 综 述
1 研究背景
伴随无线通信和无线传感器网络技术发展，基于位置服务(LBS>显得越来越关键。在室外环境下，全球定位系统(GPS>已经比较成功地处理了定位问题，它经过GPS接收机测量来自5～24个卫星信号抵达时间差(TDOA>进行位置估算[1]，能够提供靠近全球定位覆盖范围。但GPS采取微波极易被浓密树林、建筑物、金属遮盖物等吸收，所以，GPS 只适合在户外及天空开阔度较佳处使用。在室内场所，因为信道环境复杂、微波信号衰减厉害、测量误差大，GPS 无法满足大家对活动频繁室内定位和导航需求[2]。不过室内却是和人类生活生产关系最亲密场所，室内定位服务存在大量应用需求，譬如仓库里面一些存放产品位置检测、传输带上商品检测、医院里医护人员或仪器位置、失火建筑物中消防人员位置、和遍布在工厂里面贴有标签保养工具等等，所以研究室内定位技术含有十分关键意义[3][4]。
2中国外研究情况及趋势
2.1 室内定位常见方法及优缺点
室内定位技术关键包含超声波定位技术、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，定位精度可达厘M级，但超声波在传输过程中衰减显著从而影响其定位有效范围，而且需要大量底层硬件设施，成本太高、无法大面积推广[5]。红外线室内定位经过红外发射机向室内固定放置红外接收机周期发送该待测物唯一ID，其定位精度能达成5~10m，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，轻易受室内灯光干扰，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]。超宽带室内定位是多年来新兴一项基于极窄脉冲无线技术，系统包含UWB接收器、UWB参考标签和主动UWB标签，常采取TDOA测距定位算法，定位精度为可达成6~10cm，但造价较高、无法大面积推广[7]。射频室内定位采取非接触式双向通信交换数据以达成识别和定位目标。这种技术这种技术作用距离短，通常最长为几十M。但它能够在几毫秒内得到厘M级定位精度信息，

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且传输范围很大，成本较低。同时因为其非接触和非视距等优点，可望成为优选室内定位技术[8]。现在，射频识别研究热点和难点在于理论传输模型建立、用户安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识体积比较小，造价比较低，不过作用距离近，不含有通信能力，而且不便于整合到其它系统之中[9]。ZigBee技术是一个新兴短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，也能够用于室内定位。它有自己无线电标准，在数千个微小传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要极少能量，以接力方法经过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们通信效率很高[10]。ZigBee最显著技术特点是它低功耗和低成本。应用ZigBee技术室内定位系统是经过在传感器网络中部署参考节点(或称基站>和移动节点(或称盲节点、标签>组成系统，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，分析计算得到本身位置。该系统常采取分布式节点设置，能够降低网络数据工作量和通信延迟问题。定位精度在2m以内，但网络稳定性还有待提升，且易受环境干扰[11][12]。
2.2 ZigBee定位技术
ZigBee定位技术分为基于距离定位和非基于距离定位[13][14]。节点测距技术是基于距离节点定位技术基础。常见测量节点间距离方法关键有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测距技术全部是经过信号传输时间和信号速度两个参数来计算距离，无线信号传输速率大，时间测量上很小误差就可能造成距离上很大误差，而且TOA需要昂贵设备来保持时间同时，能量消耗大。超声波测距方法是指当发射节点发射超声波碰到障碍物时就会发生反射，反射波可由接收器接收，这么只要测出超声波从发送点到反射回来时间间隔△t，就能测距[15][16]。利用超声波测距很正确，测量误差只有10 cm，但因为超声波是一个声波，易受环境温度、湿度等原因影响。另外，需要额外硬件支持，增加了节点硬件成本和尺寸[17]。RSSI是最基础测距方法，基础不需要额外硬件设备，实现方法简单。在基于接收信号强度指示RSSI测距中，已知发射节点发射信号强度，接收节点依据收到信号强度计算出信号传输损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为节点间距离[18]。

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TOF测距技术能够了解为飞行时差测距(Time of Flight Measurement >方法[19][20]，TOF属于双向测距技术，它关键利用信号在两个异步收发机(Transceiver>之间往返飞行时间来测量节点间距离。在信号电平比很好调制或在非视距视线环境下，基于RSSI 测距方法估算结果比较理想；在视距视线环境下，基于TOF测距方法估算结果比较理想，是随距离呈线性关系。所以，基于TOF 距离估算方法能够填补基于RSSI距离估算方法不足。本工程在综合了解多种测距方法优缺点后，提出RSSI和TOF联合应用测距方法，以期提升定位系统正确度。

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参考文件
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2．本课题要研究或处理问题和拟采取研究手段<路径）
研究内容
本工程研究内容包含：基站和标签软硬件设计、标签自动检测研究、标签防冲突协调机制研究、基站互联机制研究、服务器定位坐标软件算法研究。关键内容以下：
(1>基站和标签软硬件设计
标签经过获取参考节点坐标位置和信号强度RSSI值，利用本身定位引擎来计算自己位置，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，并将标签位置信息上传到服务器进行解读，并不需要定位引擎支持。所以，本工程拟采取STM32F搭配CC2430设计基站，MSP430搭配CC2431设计标签。
(2>标签自动检测研究
针对传统采取轮询方法获取定位信息，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，研究标签主动上报方法。经过集群式基站自动检测其周围移动标签，主动向服务器汇报基站和标签相对距离，由服务器进行解读，提升服务器效率。
(3>标签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。所以，需要研究一个防冲突技术以降低冲突达成快速正确识别多个标签目标。
(4>服务器定位坐标软件算法研究
要想对标签正确定位，必需在服务器端研究一个高效算法来解读处理集群基站上报数据，现在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算法、Amorphous算法和APIT算法。本文在研究多种算法基础上，提出基于RSSI和TOF定位坐标软件算法。
研究试验方法及技术路线<工艺路线）
本课题目标是采取Zigbee技术建立一套室内实时定位系统，系统关键包含三部分：低功耗定位标签，基于以太网接口定位基站和定位显示网络系统。要求系统实时性好、稳定性高，能够满足工厂环境下低密度人群室内定位。系统总体框图图1所表示。

图1 定位系统总体设计框图
针对工程关键四点研究内容，具体研究方法、技术路线和工艺步骤简述以下：
(1>基于STM32F+CC2430\MSP430+CC2431基站和标签设计
基站是一个安装在已知位置静态节点，这个节点知道并能在其它节点请求时返回它自己位置，基站并不需要定位引擎硬件应用，也不需要负责任何计算。所以，采取DM9000作为以太网芯片、CC2430作为无线收发芯片、STM32F107V作为关键处理器，需要提供5V、3.3V和2.5V电压。标签采取MSP430单片机作为关键处理器、CC2431作为定位芯片、钮扣电池供电、RT9183作为电源芯片，提供2.5V电压。基站和标签硬件结构框图图2和图3所表示。

图2 基站硬件结构框图

图3标签硬件结构框图

(2>基于集群式基站移动标签自动检测
经过集群式基站自动检测其周围移动标签，主动向服务器汇报基站和标签相对距离，提升服务器效率。具体实现图4所表示，每个基站经过以太网口接入局域网，可实时和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(包含ID和时间索引>，基站收到广播数据包后，查询本基站和定位标签距离，并上报给服务器，服务器经过分析汇总多个基站发送数据包(包含基站ID，标签ID，距离立即间索引>，能够计算出标签在目前时间索引下坐标，并显示出来。经过此种方法，基站主动上报标签和其距离，服务器只需不停解读基站数据，从而大大提升了标签刷新速率，定位标签及定位基站易产品化，定位系统也易通用化。

图4 标签自动检测原理框图
(3>基于RSSI+TOF测距定标算法
RSSI定位是依据接收节点收到信号强度，计算出信号传输损耗；利用理论和经验模型，将传输损耗转化为距离，再计算出节点位置。其理论模型：

TOF测距是基于飞行时差测距方法，属于双向测距，它关键利用信号在两个基站之间往返飞行时间来测量节点间距离。在非视距视线环境下，基于RSSI 测距方法估算结果比较理想；在视距视线环境下，基于TOF测距方法估算结果比较理想。所以，本工程联合采取RSSI和TOF来进行测距，而且将算法交给后台服务器进行处理。

参考文件
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2 黄贤武等.传感器实际应用电路设计[M].北京：电子科技出版社，1997，6
3 王仲生.无损检测诊疗现场实用技术[M].北京：机械工业出版社,
4 卜云峰.检测技术[M].北京：机械工业出版社，，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, ,1
6 古天祥等.电子测量[M].北京：机械工业出版社, ,8
7 沙超等.无线传感器网络硬件平台研究和设计[M].北京：电子科技出版社，
8 樊冰，孙文盛．ZigBee技术及其应用研究[J]．大众科技， ,<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，
10 周倩．工业无线网络技术研究和应用[D]．大连： 大连理工大学硕士学位论文，

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指导老师意见：
1．对“文件综述”评语：

2．对本课题深度、广度及工作量意见和对设计<论文）结果估计：

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指导老师：<手写署名）
所在专业审查意见：

责任人： <手写署名）

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