广东省电子设计大赛设计报告.docx

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广东省电子设计大赛

设计报告

题目：

基于WifiRTLS的大型商场定位服务系统（WifiRTLS-basedshoppingmallspositioningservicesystem

队伍编号：

GD12-3410

队伍成员：

陈浩 陈舒乐 庄晓槟指导老师：

徐向民

原创性声明

本小组所有成员声明。

本次比赛作品均为本小组成员共同努力所得成果，属于原创。

本小组完全意识到本声明的法律后果。

作者签名：

日期：

年 月

日

85

摘要

随着移动互联网兴起，智慧城市的建设，各大运营商的WiFi热点在许多大型商场、机场等地方都可以寻到。

传统的GPS定位技术在建筑内部无法使用，因此利用广泛存在的WiFi网络，在大型商场内部进行定位，成为了首选的技术选择。

本系统基于WiFi信号的RSSI值强度定位技术，采用指纹识别算法定位，精确度可以达到2米，完全满足室内定位导航服务的需求。

关键词：

移动互联网 智慧城市 WiFi RSSi 指纹识别算法 室内定位

Abstract

WiththetremendousriseofthemobileInternetandtheconstructionofwisdomcities,theWiFihotspotsofsomemajoroperatorscanbefoundinmanylargeshoppingmalls,airportsandotherplaces.TraditionalGPStechnologycannotbeusedinsidebuildings,sotakingadvantageofwidespreadWiFinetworktopositioninsidethelargeshoppingmallshasbecomethepreferredchoice.BasedonpositioningtechnologyofWiFisignal'sRSSIvalue,thesystemusesfingerprintrecognitionalgorithmpositioningwhichcanreachtheaccuracyof2meters,soitcanfullymeettherequirementsoftheindoorpositioningandnavigationservices.

Keyword:

mobileInternet wisdomcity WiFi RSSIfingerprintverificationalgorithm indoorlocation

1、绪论

1.1课题背景

位置信息在各种场合中发挥着重要的作用，大型商场里面借助室内定位来导航快速找到出口、电梯、厕所，家长用来跟踪小孩的位置避免小孩在超市中走丢。

成熟的GPS定位技术被广泛用于各个行业，但GPS定位在室内无法定位。

而目前随着移动互联网的飞速发展、智能手机的普及以及智慧城市的建设，三大运营商在许多大型商场以及公共场所覆盖了WiFi。

虽然WiFi不是为定位而设计，但接入点（AP）或基站定期发送的信标信号中所含的接收信号强度（RSSI）信息为室内定位提供了可能性。

1.2大型商场导航系统的概述

本系统基于指纹识别算法定位技术，通过搜集每个位置的WiFi信号强度值，储存在服务器中。

用户进入商场，只需要使用Android系统手机安装客户端，即可使用导航软件。

用户使用导航软件时将 当前位置所搜集的WiFi信号RSSI值上传到服务器，服务器对接收到的数据与数据库数据进行匹配，得到用户位置信息，返还给用户提供定位一级级导航服务。

针对无Android手机的用户，我们开发了一个便携式客户端，可以实现简单的语音导航。

此外，我们针对携带小孩购物的父母开发了一个小巧的客户端，可以放在孩子身上，父母可以通过手机获得孩子位置，当孩子与父母位置超过安全范围，则会启动报警功能。

1.3课题研究的目的及意义

通过本商场导航系统，顾客可以获得快速精准的定位，够迅速找到自己需要的商品位置；在一些突发情况下，可以帮助顾客及时地找到安全出口；服务器端通过对各个顾客位置的监控，发现用户异常运动通过摄像头调用可以及时发现突发情况，并且对离开小孩太远的父母可以发送警报，防止小孩走失。

本系统改进了定位算法，并通过扫描QR码上传位置信息的方式校正不同终端的偏差。

二、系统方案设计

2.1系统总体框图

2.2各部分功能简介

2.2.1服务器功能

系统服务器存储采集到的热点RSSI，在收到来自终端发送的RSSI值时，通过指纹识别匹配算法，筛选出位置信息并返回终端；服务器作为连接监控终端，发现异常运动迹象调用摄像头查看实时状况；在亲子距离超过安全范围时，发送小孩位置信息到对应的大人终端，并发出送警报到家长终端。

2.2.2Android客户端功能

Android客户端收集当前位置WiFi信号的RSSI值，并上传到服务器；从服务器得到当前位置信息之后，在地图上显示自己所在位置；作为亲子绑定的家长终端时，还可以在地图上看到自己孩子的位置信息，并在孩子与自己距离超过安全距离时得到服务器的警报信息后发出警报。

2.2.3通用客户端

通用客户端是准备给没有安装Android客户端的用户使用的，客户端收集WiFi信号RSSI值上传到服务器，在需要导航时，通过语音识别模块发出指令，发送到服务器后得到结合当前位置信息，服务器返回指令，由语音合成模块响应导航需求并通过LED灯来显示前进方位。

若与通用客户端有亲子绑定，则在与小孩位置超过安全距离后会得到服务器的警报指令，通过扬声器发出警报并且由LED发出方位引导。

2.2.4儿童专用客户端

儿童专用客户端可以方便的放在小孩身上，随时发送当前位置的RSSI值以及身份识别信息到服务器，从而在服务器留下自己的位置信息。

2.3方案论证与比较

2.3.1定位算法方案论证与比较

方案一、通过三角形算法定位

三角形算法定位是待测点首先接收三个来自不同已知位置AP的RSSI，然后依照无线信号的传输损耗模型将其转换成待测目标到相应AP的距离。

这种算法的优点是不用遍历每一个位置点，只要知晓AP位置就可以通过算法来确定位置；缺点是实际RSSI值跟许多因素相关，信号传输损耗模型很多时候并不适用，定位精度很差。

方案二、通过指纹识别算法定位

指纹识别算法是选择合理的参考点分布，确保能为定位提供足够的信息，依次在各个参考点上测量来自不同AP的RSSI值，将相应的MAC地址与参考点的位置信息记录在数据库中，直至便利关注区域内的参考点；给定数据库后，依据一定的匹配算法将待定点上接收的APRSSI与数据库中的已有数据进行比较。

这种算法的优点是定位精度高，却不用知道AP位置即可定位；确定是数据库的建立需要花费较长时间。

出于对定位精度的要求，我们选择方案二。

2.3.2通用客户端与小孩客户端的主控芯片方案论证与比较

方案一、使用AT89C51

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

本方案优点是价格便宜；缺点是芯片没有内置更大的存储空间。

方案二、使用STC12LE5A60S2

STC12LE5A60S2是一种增强型51单片机，工作电压在3.6V-2.2V，片上集成1280字节的RAM空间。

本方案有点是运算速度快，存储空间大；缺点是价格比较昂贵。

由于客户端在搜集多个AP的RSSI信息时，需要一次处理较大的数据，故选用方案二。

三、 系统硬件设计

3.1通用客户端硬件设计

3.1.1通用客户端系统框图

通用客户端采用STC5A60S2单片机作为主控芯片，定位服务方面；通过HLK-WIFI-M03模块收集RSSI信息及同服务器收发数据，利用MAG3110电子罗盘进行方向定位；人机交互的实现，是通过M-LD3320语音识别模块，SYN6288语音合成模块，以及自制的LED灯导航模块实现。

为了方便携带，客户端的电源采用手机电池，经过ASM1117芯片输出3.3V供电。

3.1.2通用客户端电路原理图

3.1.3通用客户端电源设计

客户端电源的设计，由于主控芯片STC51LE5A60S2是3.3V供电，HLK-WIFI-M03模块、LD3320语音识别模块、SYN6288语音合成模块等也都是3.3V单电源供电，同时为了方便携带，我们采用了输出电压为3.7V容量为2600mAh的锂电池作为电源供电。

3.1.4定位服务模块设计

通用客户端的定位功能，是通过WiFi模块与电子罗盘模块共同工作提供。

本通用客户端的WiFi模块采用海凌科公司的HLK-WIFI-M03模块。

HLK-WIFI-M03模块是海凌科电子推出的全新第三代嵌入式Uart-Wifi模块产品。

Uart-Wifi是基于Uart接口的符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够轻松实现串口数据到无线网络间的转换。

模块由单3.3V供电，支持AT指令集与透明传输模式。

WiFi模块上电后默认处于透明传输模式。

使用时通过串口输入逃逸字符退出透明传输模式，输入AT指令获取RSSI值通过串口传给单片机，再次进入透明传输模式后将串口收到的数据转发到服务器，再接收服务器返回的位置数据，通过串口传输到单片机。

当需要重新定位时，则退出透明传输模式，接收AT指令。

下图是WiFi模块的接口示意图

模块插针接口说明

插针1至4均为可选功能引脚，本模块实际使用中只需将1号引脚接在单片机的IO

口上即可。

。

插针5为VDD，实际使用中接3.3V电源；引脚6为RXD，串口数据接收端，实际使用中连接单片机的TXD引脚；引脚7为TXD，串口数据发送端，实际使用中连接单片机的RXD引脚。

引脚8为GND模块地线引脚，接地线。

以下是WiFi模块的电路原理图

MAG3110是Freescale公司生产的三轴数字地磁传感器，采用I2C接口进行通信。

MAG3110采集地磁场强度并转化为数字量输出，输出速率最大为80HZ。

MAG3110采用DFN封装，适合工作温度为-40°C到80°C。

供电电压1.96-3.6V。

传感器板引脚及尺寸说明

电子罗盘模块写时序：

I2C起始位->MAG3110写地址（0X1C）->目标寄存器地址->写入数据->停止位

读时序：

I2C起始位->MAG3110写地址（0X1C）->目标寄存器地址->重复起始位-

>MAG3110读地址（0X1D）->接收数据->停止位

读取数据时读DR_STATUS（0x00）状态寄存器，如果DR_STATUS&0x08=1，一次转换已经完成，此时可以读取数据；读OUT_X_MSB（0x01