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基于ZigBee的室內定位系統
2019年06月04日 22:55         所屬學院: []          點擊:


附件5

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃

項  目  申  報  

 

項目名稱:

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學校名稱

長沙理工大學

 

學生姓名

  

      

 

   

 

周小龍

201457050217

電子信息工程

2014

 

張浩烽

201457050113

電子信息工程

2014

 

羅壯

201657050117

電子信息工程

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”電子設計大賽優勝獎;獲得長沙理工大學“物電杯”電子設計大賽優勝獎;2015年長沙理工大學“互聯網+”大學生創新創業大賽校級三等獎,進入省級復賽;2016年長沙理工大學創青春大賽銀獎;2016年長沙理工大學“互聯網+”大學生創新創業大賽校級銀獎,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;參與發表《基于ARM的溫室種植智能輔助系統》期刊論文一篇。

張浩烽:2016TI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“互聯網+”大學生創新創業大賽校級三等獎,進入省級復賽;2016年長沙理工大學創青春大賽銀獎;2016年長沙理工大學“互聯網+”大學生創新創業大賽校級銀獎,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新性實驗計劃項目1項;

2013~2016年指導大學生課外科技項目8項;

2013~2016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、內容和要解決的主要問題

項目研究目的:

隨著現代通信技術和無線網絡的快速發展,人們對定位與導航的需求日益增大,尤其在復雜的室內環境,如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環境中,常常需要確定移動終端、設施與物品在室內的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復雜的室內環境等條件的限制,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一種低成本、實用的無線定位系統,應用于智能物流,大型室內場所導航。

 

項目研究內容:

1.對現有的室內定位系統進行分析,總結現有的室內定位系統的優點和存在的不足。

2.確定系統的總體設計方案,搭建好定位所需的軟硬件平臺。

3.研究ZigBee網絡的拓撲結構、網絡層協議對定位系統的性能的影響,從定位系統的延時和功耗角度出發設計網絡拓撲結構。

4.針對RSSI具有隨機性的特點,基于概率統計原理對RSSI樣本數據預處理。

5.基于RSSI值,構建三點質心算法,實現對盲節點位置的定位。

6.結合數字信號處理,對定位數據進行濾波,擬合,逼近等操作,提高精度。

7.設計室內定位系統實驗測試環境,對本系統在測試場所進行實地測試,并且對實驗結果從定位精確度、系統實時性、系統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:前面提到室內環境動態性很強,會經常發生改變,比如商場的設置和隔斷會經常發生變化。另一方面,定位所依賴的基礎設施也會經常發生變化。

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據庫。

4.功耗:定位所產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境和應用的能力。

6.響應時間:系統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。

 

 

 

 

國內外研究現狀和發展動態

 

1993AT&T提出的紅外感應定位系統即Active Baadge系統,Active Baadge的優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。但是系統存在以下不足:

 1、過程復雜,延遲時間過長。每個移動目標發射出信號要經過一個集中的處理以后才能返回結果。15秒發射一次信號,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不停移動的目標來說就顯得太慢。

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

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

2000MI實驗室研發的Cricket系統,目前該系統的軟件件版本已經更新到2.3.2。該系統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,其優點是定位精度較高。但是該系統由于需要同時發射RF和超聲波信號,因此需要較高的硬件設施投資,而且系統功耗較大。

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

目前國內從事室內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CDMA用戶定位方法和基于接收信號強度測量的室內定位算法,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的用戶定位,該定位系統的定位算法建立在無線局域網的硬件基礎設施之上,因此在一些沒有無線局域網的地點就無法定位或者需要預先鋪設室內局域網。因此該定位系統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外關于室內定位所采用的技術之外還有其他一些室內定位技術,例如Bat定位系統、Constellation追蹤系統等。

 

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《數字電子技術》,《模擬電子技術》,《單片機技術》,《EDA應用技術》,《數字信號處理技術》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,數字信號處理課程設計,電子設計競賽培訓和技術創新項目培訓等,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“基于zigbee的病房監測與管理系統”,積累了大量關于zigbee網絡的知識,并獲得了2016TI杯湖南省電子設計大賽省二等獎,長沙理工大學“互聯網+”創新創業大賽銀獎,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(SoC)解決方案,在典型應用中可實現0.25m 的分辨率。同時,通過Zigbee網絡結構,拓展了定位的范圍,可運用分布式算法,減少系統中心的數據壓力。

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

3. 低功耗。在低耗電待機模式下,2 5 號干電池可支持1個節點工作624個月,甚至更長。相比較,藍牙只能工作數周、WiFi只可工作數小時,本項目有明顯的續航優勢。

4. 多用途。用來實現定位Zigbee功能的節點,也可以為智能家居,樓宇聯防等系統提供數據傳輸的通道。

 

項目的技術路線及預期成果

1. 技術路線

(1) 硬件結構

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

 

1  系統硬件結構圖

網絡部分是由協調器(也稱作網關),參考節點和盲節點組成。其中協調器和參考節點都采用TI公司生產的CC2530芯片和相應的外圍電路構成;盲節點則采用TI公司生產的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。

上位機系統以ST公司Cortex M4內核的STM32F407ZGT6構成,在168 MHz頻率下,從Flash存儲器執行時,STM32F407/417能夠提供210 DMIPS/566 CoreMark性能,并且利用意法半導體的ART加速器實現了FLASH零等待狀態。DSP指令和浮點單元擴大了產品的應用范圍,進行核心算法處理的能力更強,數據的吞吐量更大。

(2) 軟件設計

Zigbee網絡中的協調器承擔了發起網絡,組建和管理網絡,維護網絡并與嵌入式終端通信的任務。圖2為協調器組建網絡,實現定位功能的事件序列流程。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2事件序列流程圖

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3參考節點程序流程圖

盲節點是隨身攜帶的設備(RFD),電池供電。遇到突發情況時,打開設備上的電源開關,只要是在Zigbee網絡的覆蓋區域內,立即向周圍節點廣播請求25個數據包,以獲得RSSI強度。然后發送XY—RSSI請求,根據周圍節點響應的信息,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點的坐標組成數據幀發送到協調器。圖4為盲節點的自動模式下,定位功能的程序流程圖。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4  定位功能的程序流程圖

 

上位機軟件主要是將串口數據進行處理,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)項目執行時間為期一年,預期在20184月完成項目的設計、制作和調試等工作,利用5Zigbee參考節點,使所設計的系統能在空的房間,對盲節點進行定位,精度在1~2米。

2)通過項目的設計與實現,熟練掌握電子信息工程專業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,培養創新能力和創新思維。

3)研究成果以電子作品實物模型的形式表現。在項目結題前完成相應電子應用系統的軟硬件設計,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,在正規刊物上發表論文一篇。

5)爭取省級電子設計競賽得獎;爭取拿到省級創新創業名額。

年度目標和工作內容(分年度寫)

進度安排:

120171月至20173月,完成市場調研和資料收集;

220174月至20175月,完成基于ZigBee的室內定位技術的方案比較與論證;

320176月至20179月,完成基于ZigBee的室內定位技術原理圖和印制板圖設計;

4201710月至201712月,完成基于ZigBee的室內定位技術電路的制作與調試;

520181月至20182月,完成實驗裝置的測試和數據采集;

620183月至20184月,編制研究工作總結報告,準備結題。

指導教師意見

隨著現代通信技術和無線網絡的快速發展,人們對定位與導航的需求日益增大,尤其是在復雜的室內環境下尤是如此。該項目利用“ZigBee”的組網特點,構建三點質心算法,實現對盲節點位置的定位。具有定位精度高,簡潔可靠,低功耗,多用途,續航能力強的特點。具有很好的創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。

 

簽字:                日期:

 

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