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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業(yè)

性 別

入 學 年 份

周小龍

201457050217

電子信息工程

男

2014

張浩烽

201457050113

電子信息工程

男

2014

羅壯

201657050117

電子信息工程

男

2016

指導教師

文卉

職稱

高級實驗師

項目所屬

一級學科

電子信息

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經(jīng)參與科研的情況

周小龍 ：2015年電氣學院科技立項一項；獲得長沙理工大學“電苑杯”電子設計大賽優(yōu)勝獎；獲得長沙理工大學“物電杯”電子設計大賽優(yōu)勝獎；2015年長沙理工大學“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽校級三等獎，進入省級復賽；2016年長沙理工大學創(chuàng)青春大賽銀獎；2016年長沙理工大學“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽校級銀獎，進入省級復賽；2016長沙理工大學“電苑杯”電子設計大賽二等獎；2016中國教育機器人大賽一等獎；參與發(fā)表《基于ARM的溫室種植智能輔助系統(tǒng)》期刊論文一篇。

張浩烽：2016年TI杯湖南省電子設計大賽省二等獎；2016年“電苑杯”電子設計大賽一等獎；2015年電氣學院科技立項一項；2015年長沙理工大學“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽校級三等獎，進入省級復賽；2016年長沙理工大學創(chuàng)青春大賽銀獎；2016年長沙理工大學“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽校級銀獎，進入省級復賽。

羅壯：高中階段參與物理化學計算機各類競賽獲得省二等獎。

指導教師承擔科研課題情況

2016年主持并完成長沙理工大學大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目2項；

2015年主持并完成湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目1項；

2014年主持并完成全國大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目1項；

2013年~2016年指導大學生課外科技項目8項；

2013年~2016年指導本科生參賽科技活動比賽若干項并或獎勵若干；

2015年主持并完成校級教研教改項目1項；

    2008年主持并完成教育廳科研項目1項；

2009~2016年參與國家自然科學基金項目3項；參與湖南省教育廳重點項目1項；參與長沙市科技成果孵化資金專項1項。

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

項目研究目的：

隨著現(xiàn)代通信技術和無線網(wǎng)絡的快速發(fā)展，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內(nèi)環(huán)境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中，常常需要確定移動終端、設施與物品在室內(nèi)的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復雜的室內(nèi)環(huán)境等條件的限制，比較完善的封閉空間定位技術目前還無法很好的利用。

本項目研究和實驗的目的就在于設計并實現(xiàn)一種低成本、實用的無線定位系統(tǒng)，應用于智能物流，大型室內(nèi)場所導航。

項目研究內(nèi)容：

1.對現(xiàn)有的室內(nèi)定位系統(tǒng)進行分析，總結現(xiàn)有的室內(nèi)定位系統(tǒng)的優(yōu)點和存在的不足。

2.確定系統(tǒng)的總體設計方案，搭建好定位所需的軟硬件平臺。

3.研究ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結構、網(wǎng)絡層協(xié)議對定位系統(tǒng)的性能的影響，從定位系統(tǒng)的延時和功耗角度出發(fā)設計網(wǎng)絡拓撲結構。

4.針對RSSI具有隨機性的特點，基于概率統(tǒng)計原理對RSSI樣本數(shù)據(jù)預處理。

5.基于RSSI值，構建三點質(zhì)心算法，實現(xiàn)對盲節(jié)點位置的定位。

6.結合數(shù)字信號處理，對定位數(shù)據(jù)進行濾波，擬合，逼近等操作，提高精度。

7.設計室內(nèi)定位系統(tǒng)實驗測試環(huán)境，對本系統(tǒng)在測試場所進行實地測試，并且對實驗結果從定位精確度、系統(tǒng)實時性、系統(tǒng)可用性等方面進行分析和總結。

要解決的主要問題：

1.精度：對精度的要求不同的應用差別很大，比如在超市或倉庫找一個特定的商品可能需要1米甚至更低的精度，如果在購物中心尋找一個特定的品牌或餐館，5-10米的精度就能滿足要求。

2.可靠性：前面提到室內(nèi)環(huán)境動態(tài)性很強，會經(jīng)常發(fā)生改變，比如商場的設置和隔斷會經(jīng)常發(fā)生變化。另一方面，定位所依賴的基礎設施也會經(jīng)常發(fā)生變化。

3.成本和復雜度：成本和復雜度指標涵蓋兩個方面。一個是定位終端的成本，是不是可以用終端已有的硬件而不添加新的硬件。另一方面是布局和維護的成本，包括布局與維護定位所需要的設施和采集相關的數(shù)據(jù)庫。

4.功耗：定位所產(chǎn)生的功耗是一個很重要的指標，尤其對使用電池的移動設備，如果功耗大很快使設備沒電了，就限制了用戶的使用。如果要實現(xiàn)隨時隨地的位置感知，必須降低定位所增加的設備額外功耗。

5.可擴展性：可擴展性指一個解決方案擴展到更大的覆蓋范圍使用的能力，和方便地移植到不同的環(huán)境和應用的能力。

6.響應時間：系統(tǒng)給出一個位置更新所需的時間是響應時間，不同的應用需求不同，比如移動用戶和導航應用需要快的位置更新。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

1993年AT&T提出的紅外感應定位系統(tǒng)即Active Baadge系統(tǒng)，Active Baadge的優(yōu)點是因為使用了紅外通信，因此功耗極低，同時也可以做到很小的體積。但是系統(tǒng)存在以下不足：

 1、過程復雜，延遲時間過長。每個移動目標發(fā)射出信號要經(jīng)過一個集中的處理以后才能返回結果。15秒發(fā)射一次信號，即大概15秒才能得到一次位置坐標，這樣對于定位一些在室內(nèi)不停移動的目標來說就顯得太慢。

 2、定位系統(tǒng)采用的是有線連接方式設計。系統(tǒng)不僅需要有以太網(wǎng)線的支持，而且還需要多個工作站，這樣做提高了系統(tǒng)的運行成本和布置難度。

2000年微軟公司研發(fā)的基于RF(Radio Frequency)技術的RADAR(Radio Detection and Randing)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用802.11網(wǎng)絡對于空間進行定位。但是該系統(tǒng)需要建立在802.11網(wǎng)絡設施基礎之上，而且定位系統(tǒng)精度也有待提高。

2000年MI實驗室研發(fā)的Cricket系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)的軟件件版本已經(jīng)更新到2.3.2。該系統(tǒng)是采用超聲波定位的典型例子，它采用超聲波時延信號進行定位，其優(yōu)點是定位精度較高。但是該系統(tǒng)由于需要同時發(fā)射RF和超聲波信號，因此需要較高的硬件設施投資，而且系統(tǒng)功耗較大。

尤比森斯公司開發(fā)的新型定位系統(tǒng)Series7000，該系統(tǒng)采用UWB進行實時定位，該定位系統(tǒng)在三圍空間具有15cm的定位精度，該定位系統(tǒng)成本偏高，在定位件精度要求不高兒定位系統(tǒng)成本有要求的場合就不合適。

目前國內(nèi)從事室內(nèi)定位技術研究的機構主要集中在科研院所和高校。復旦大學提出的室內(nèi)CDMA用戶定位方法和基于接收信號強度測量的室內(nèi)定位算法，目前該算法還停留在實驗仿真階段。

    西安交通大學從事的基于無線局域網(wǎng)的用戶定位，該定位系統(tǒng)的定位算法建立在無線局域網(wǎng)的硬件基礎設施之上，因此在一些沒有無線局域網(wǎng)的地點就無法定位或者需要預先鋪設室內(nèi)局域網(wǎng)。因此該定位系統(tǒng)就存在較大的局限性。

除了上面所提到的一些比較典型的國內(nèi)外關于室內(nèi)定位所采用的技術之外還有其他一些室內(nèi)定位技術，例如Bat定位系統(tǒng)、Constellation追蹤系統(tǒng)等。

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

項目組成員對《數(shù)字電子技術》，《模擬電子技術》，《單片機技術》，《EDA應用技術》，《數(shù)字信號處理技術》等知識掌握扎實，并具有相關實踐能力。曾參與電子測試技術實踐，電子CAD實習，單片機技能培訓，EDA課程設計，數(shù)字信號處理課程設計，電子設計競賽培訓和技術創(chuàng)新項目培訓等，具有較強的分析問題，解決問題的能力。

項目組成員對EDA技術均感興趣，因為可編程邏輯器件和EDA技術已廣泛應用于通信、工業(yè)自動化、智能儀表、圖像處理以及計算機等領域。因此，EDA技術是未來電子工程師必須掌握的技術。

項目組成員曾開發(fā)“基于zigbee的病房監(jiān)測與管理系統(tǒng)”，積累了大量關于zigbee網(wǎng)絡的知識，并獲得了2016年TI杯湖南省電子設計大賽省二等獎，長沙理工大學“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎，長沙理工大學“電苑杯”電子設計大賽二等獎等。

項目的創(chuàng)新點和特色

1. 定位精度高，范圍廣。利用TI公司提出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，在典型應用中可實現(xiàn)0.25m 的分辨率。同時，通過Zigbee網(wǎng)絡結構，拓展了定位的范圍，可運用分布式算法，減少系統(tǒng)中心的數(shù)據(jù)壓力。

2. 簡潔可靠。基于RSSI值，利用三點質(zhì)心定位算法，有效和低成本地解決了室內(nèi)定位裝置體積龐大，技術實現(xiàn)難度大，價格高昂的弊病。

3. 低功耗。在低耗電待機模式下，2 節(jié)5 號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。相比較，藍牙只能工作數(shù)周、WiFi只可工作數(shù)小時，本項目有明顯的續(xù)航優(yōu)勢。

4. 多用途。用來實現(xiàn)定位Zigbee功能的節(jié)點，也可以為智能家居，樓宇聯(lián)防等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?/span>

項目的技術路線及預期成果

1. 技術路線

（1） 硬件結構

系統(tǒng)的硬件部分由兩大部分組成，一部分是Zigbee通信網(wǎng)絡構成，另一部分是嵌入式手持終端（也稱作PDA）構成。（見圖1）

圖1  系統(tǒng)硬件結構圖

網(wǎng)絡部分是由協(xié)調(diào)器（也稱作網(wǎng)關），參考節(jié)點和盲節(jié)點組成。其中協(xié)調(diào)器和參考節(jié)點都采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片和相應的外圍電路構成；盲節(jié)點則采用TI公司生產(chǎn)的CC2431芯片，該芯片除了具有CC2530芯片的基本硬件功能之外，還增加了“定位引擎”，大大簡化了軟件編程的復雜度，提高了定位運算的速度。

上位機系統(tǒng)以ST公司Cortex M4內(nèi)核的STM32F407ZGT6構成，在168 MHz頻率下，從Flash存儲器執(zhí)行時，STM32F407/417能夠提供210 DMIPS/566 CoreMark性能，并且利用意法半導體的ART加速器實現(xiàn)了FLASH零等待狀態(tài)。DSP指令和浮點單元擴大了產(chǎn)品的應用范圍，進行核心算法處理的能力更強，數(shù)據(jù)的吞吐量更大。

（2） 軟件設計

Zigbee網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器承擔了發(fā)起網(wǎng)絡，組建和管理網(wǎng)絡，維護網(wǎng)絡并與嵌入式終端通信的任務。圖2為協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡，實現(xiàn)定位功能的事件序列流程。

圖2事件序列流程圖

參考節(jié)點是網(wǎng)絡的主體，通常是按照一定的距離要求，根據(jù)實際的環(huán)境布置在該區(qū)域內(nèi)，組成無線通信網(wǎng)絡，為在其有效覆蓋范圍內(nèi)的盲節(jié)點提供所需的定位信息。打開電源之后，參考節(jié)點即向協(xié)調(diào)器發(fā)送請求加入網(wǎng)絡的信息，并報告自己的配置信息；當有盲節(jié)點發(fā)來請求時，即處理盲節(jié)點的請求信息。圖3為參考節(jié)點程序流程圖。

圖3參考節(jié)點程序流程圖

盲節(jié)點是隨身攜帶的設備（RFD），電池供電。遇到突發(fā)情況時，打開設備上的電源開關，只要是在Zigbee網(wǎng)絡的覆蓋區(qū)域內(nèi)，立即向周圍節(jié)點廣播請求25個數(shù)據(jù)包，以獲得RSSI強度。然后發(fā)送XY—RSSI請求，根據(jù)周圍節(jié)點響應的信息，計算出當前自身所處坐標，將包含此坐標的信息和臨近參考節(jié)點的坐標組成數(shù)據(jù)幀發(fā)送到協(xié)調(diào)器。圖4為盲節(jié)點的自動模式下，定位功能的程序流程圖。

圖4  定位功能的程序流程圖

上位機軟件主要是將串口數(shù)據(jù)進行處理，生成位置信息，用VB編寫上位機界面，繪制極坐標或三維坐標圖，形成基本的位置方向坐標。

2. 預期成果

（1）項目執(zhí)行時間為期一年，預期在2018年4月完成項目的設計、制作和調(diào)試等工作，利用5個Zigbee參考節(jié)點，使所設計的系統(tǒng)能在空的房間，對盲節(jié)點進行定位，精度在1~2米。

（2）通過項目的設計與實現(xiàn)，熟練掌握電子信息工程專業(yè)較為完整的知識理論體系和操作技能，提高分析和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。

（3）研究成果以電子作品實物模型的形式表現(xiàn)。在項目結題前完成相應電子應用系統(tǒng)的軟硬件設計，完成電子作品實物模型的制作，撰寫總結報告。

（4）總結提煉設計方案，在正規(guī)刊物上發(fā)表論文一篇。

（5）爭取省級電子設計競賽得獎；爭取拿到省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)名額。

年度目標和工作內(nèi)容（分年度寫）

進度安排：

（1）2017年1月至2017年3月，完成市場調(diào)研和資料收集；

（2）2017年4月至2017年5月，完成基于ZigBee的室內(nèi)定位技術的方案比較與論證；

（3）2017年6月至2017年9月，完成基于ZigBee的室內(nèi)定位技術原理圖和印制板圖設計；

（4）2017年10月至2017年12月，完成基于ZigBee的室內(nèi)定位技術電路的制作與調(diào)試；

（5）2018年1月至2018年2月，完成實驗裝置的測試和數(shù)據(jù)采集；

（6）2018年3月至2018年4月，編制研究工作總結報告，準備結題。

指導教師意見

隨著現(xiàn)代通信技術和無線網(wǎng)絡的快速發(fā)展，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其是在復雜的室內(nèi)環(huán)境下尤是如此。該項目利用“ZigBee”的組網(wǎng)特點，構建三點質(zhì)心算法，實現(xiàn)對盲節(jié)點位置的定位。具有定位精度高，簡潔可靠，低功耗，多用途，續(xù)航能力強的特點。具有很好的創(chuàng)新性和廣闊的市場前景。且在項目研究中能很好地提升成員理論和實踐能力。同意申報。

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