基于蓝牙信号的设备无关的室内定位系统毕业设计Word下载.docx
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导师签名：
日期：
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性；
技术线路的可行性；
设计方案的合理性
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
建议成绩：
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指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
二、论文（设计）水平
评阅教师：
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩：
教研室主任（或答辩小组组长）：
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教学系意见：
系主任：
摘要
自1998年，蓝牙技术由爱立信、IBM等5家公司联合推出起，其作为一种新型的无线网络技术，被广大研究爱好者们应用于各大领域，其中蓝牙无线定位领域已取得相当可观的成就。
目前已有的蓝牙室内定位大都是基于移动设备的定位，本课题设计提出一种基于蓝牙无线信号网和位置指纹法的无设备室内定位方法。
设计分为离线采样和在线测试两阶段。
离线采样阶段采集蓝牙节点的RSSI（接收信号强度）值，关联采集时的位置信息，构建一个位置指纹数据库；
在线测试阶段，采集此时蓝牙节点的RSSI值，比对数据库中的指纹信息，确定测试目标位置。
本设计基于eclipse平台，通过建立蓝牙无线信号网，编写测试手机采集蓝牙节点的RSSI值、显示手机与测试手机之间的数据通讯以及显示手机的数据处理等Android应用程序，构建位置指纹数据库，通过最邻近算法计算确定位置。
关键词：
无设备室内定位、蓝牙技术、位置指纹法、最邻近算法。
Abstract
EricssonandIBM,togetherwiththeotherthreecompanieslaunchedBluetoothin1998,sincewhich,thistechnologywasappliedtovariousareasbymanyaBluetoothfan.NowBluetoothwirelesspositioningsystemhasmadeconsiderableachievements.Butsofar,Bluetoothindoorpositioningismainlybasedonthepositioningofmobiledevices.Therefore,thissubjectdesignputsforwardaDevice-Freeindoorpositioningapproach,whichisonthebasisofBluetoothwirelesssignalnetworksandfingerprintingtechnology.Thedesignisdividedintotwostages:
off-linesamplingandonlinetesting.Onthefirststage,thedesignerwillcollecttheRSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）valueofBluetoothnode,combinethelocationinformationwhencollecting,andthenestablishadatabaseoffingerprint.Andonthesecondstage,thedesignerwillcollecttheRSSIvalueofBluetoothnodeattheverymoment,comparethefingerprintinformationinthedatabase,andthendeterminethelocationofthetestingtarget.
ViasettingupBluetoothwirelesssignalnetworks,compilingtheRSSIvalueofBluetoothnodecollectedbytestmobiles,andrevealingAndroidapplicationprogramsuchasthedatacommunicationbetweenmobilesandtestmobiles,thisdesignwillemploytheplatformofeclipse,establishthedatabaseoffingerprint,andcalculateanddeterminethelocationbynearestneighboralgorithm.
Keywords:
Device-Freeindoorpositioning,Bluetoothtechnology,fingerprintingtechnology,nearestneighboralgorithm
1.绪论
1.1研究背景与意义
随着电信技术与网络技术的发展，传统定位技术也得到了广泛的的拓展与应用。
定位系统是一种应用无线通信技术，各种无线网络以及一系列的感应技术来确定或追踪被测物体的位置或运动路径的装置。
定位系统又分为室外定位系统和室内定位系统。
室外定位系统已得到成熟稳定的发展，其最具典型的代表是GPS和AGPS室外定位系统。
然而，作为LBS最后一米服务的室内定位依然没有一个统一的技术规范标准。
在一个稍微复杂点的多层次的建筑中，传统的室外定位方法就已不能很好的实现定位导航的功能，因而实现一个强而有力的室内定位系统已是一个重中之重的事情。
如今，已有很多技术应用于室内定位，例如WIFI、蓝牙、RFID、磁场等等。
其中，蓝牙技术随着智能手机的高速发展而渐渐广为人知。
相对于其他无线技术，蓝牙技术具有低功耗、低成本、高可用性和精度高的优点。
传统的基于蓝牙信号的室内定位方法中，定位目标（例如行人）必须携带接收蓝牙信号的设备（例如手机）。
在设备无关室内定位方法中，定位目标不需要携带接收设备。
但是需要在室内构成蓝牙信号发送和接收的网络，当行人在信号网络中行走时会影响接收到的信号强度，进而确定行人的室内位置。
设备无关室内定位系统是一种估算不携带任何设备或附加任何标签的目标的位置的定位系统，其可应用于很多领域，例如：
建筑安全和报警系统、军事和警察行动、灾难救援和老人医疗保健等。
1.2研究目标与内容
本文的主要研究内容包括：
（1）蓝牙无线信号网的布局：
通过对蓝牙模块2.0以及手机蓝牙接口的认识和了解，在测试区域设计蓝牙无线信号网的布局，建立蓝牙无线信号网。
（2）测试手机的编程：
理解测试手机在设计中的作用，编程实现测试手机对蓝牙节点的循环检测、RSSI值的相关数据处理以及和显示手机之间的数据交换。
（3）显示手机的编程：
编程实现显示手机与测试手机之间的数据交换、离线采样及数据库的建立、在线测试及图形显示。
本文设计的基于蓝牙信号的设备无关室内定位，需要实现的目标主要有三个，第一个是实现测试手机对蓝牙节点的RSSI值的检测以及相关数据处理；
第二个是实现离线采样以及数据库的建立；
第三个是实现在线测试及图形显示。
1.3论文结构
本文以设备无关室内定位的研究作为应用背景，编程实现离线采样与在线测试两大功能。
全文共分为六个章节，主要内容如下：
第一章：
绪论，介绍室内定位的研究背景、研究设备无关室内定位的意义以及应用前景，然后阐述课题的研究目标及主要内容。
第二章：
系统总设计，介绍设计的整个框架、各个模块的作用以及相互之间的联系。
第三章：
系统硬件设计，介绍蓝牙无线信号网的布局、手机蓝牙和蓝牙2.0的硬件组成和接口。
第四章：
系统软件设计，介绍测试手机以及显示手机的流程图以及相关功能说明。
第五章：
系统调试，介绍调试方案、测试界面以及相关数据分析。
第六章：
总结与展望，总结本设计各模块，并对设备无关室内定位的优化方向进行了简要阐述。
2.系统总设计
2.1系统总设计框图
本系统总设计主要包括蓝牙节点模块、测试手机模块以及显示手机模块。
系统总设计框图如图2-1所示：
本系统设计中，蓝牙节点与测试手机按照一定的布局格式去构建蓝牙无线信号网。
测试手机与蓝牙节点之间进行相互通讯，测试手机不断采集蓝牙节点的信号信息：
设备名、设备地址以及RSSI值。
同时，显示手机与测试手机之间进行数据交换，当显示手机向测试手机发送命令字符时，测试手机将处理好的RSSI值返回给显示手机。
2.2系统理论基础
2.2.1系统设计分析
在室内，环境比较复杂，蓝牙信号在传播的过程中易受到地形、桌椅、墙壁以及人体的影响，从而引起蓝牙信号的折射、衍射等多径传播，使得采集到的RSSI值出现偏大的误差，从而影响到定位的精确性。
因此本课题设计提出一种基于蓝牙无线信号网和位置指纹法的无设备室内定位方法。
首先，以蓝牙模块作为发送蓝牙信号的蓝牙节点、以测试手机作为接收蓝牙信号的蓝牙节点，在室内按照一定的方式布局，构建蓝牙无线信号网。
利用测试目标（行人）对蓝牙信号的影响，采集RSSI值。
在离线采样阶段，采集测试目标（行人）在室内均匀采样点上的指纹数据（蓝牙节点的信号强度），同时将指纹数据进行一系列处理，存储到显示手机的内部存储器的数据库中。
在在线测试阶段，采集测试目标在测试区域的指纹数据，进行数据处理后，比对数据库中的数据，通过最邻近算法计算确定位置。
2.2.2蓝牙信号传播模型
蓝牙信号的强度r和距离d之间有多种传播模型，本设计采用经典的无线信号传播模型（WSPM）作为蓝牙信号传播模型，该模型满足式：
（2-1）
注：
：
RSSI（接收信号强度指标）；
蓝牙接收设备的电功率等级，等于
；
蓝牙发射设备的电功率等级；
：
蓝牙接收设备的天线增益；
蓝牙发射设备的天线增益；
蓝牙信号的波长；
衰减因子，表示墙壁和其他障碍的影响；
发送方到接收方之间的传播距离；
蓝牙信号传播模型的参数，和
有关。
2.2.3位置指纹数据库
位置指纹法是在离线采样阶段，根据测试目标在不同的均匀采样点处采集到的蓝牙节点的信号强度，关联均匀采样点的位置，建立相应的位置指纹数据库。
在在线测试阶段，实时采集当前蓝牙节点的信号强度，对比位置指纹数据库中存储的信号强度值，通过最邻近算法进行匹配实现定位。
位置指纹法分为两个阶段：
离线采样和在线测试。
而位置指纹数据库的构建是在离线采样阶段完成。
位置指纹数据库由众多数据库元素组成，数据库元素由物理位置L和该物理位置上采集到的指纹R组成，其表述如下：
（2-2）
本设计中位置指纹数据库采用RSSI测量法构建，指纹信息R由测试手机对蓝牙节点的信号强度的RSSI值组成，表述如下：
（2-3）
其中，i代表蓝牙节点的个数，j代表测试手机的个数，r[j][i]代表第j个手机采集的第i个蓝牙节点的信号强度值。
2.2.4最邻近算法
本设计在线测试阶段的定位数据处理采用的是最邻近算法。
在线测试阶段，测试手机采集当前蓝牙节点的RSSI值，并以字符串方式传给显示手机，显示手机进行数据处理，将字符串转为双精度型数字，然后与数据库中的数据进行方差计算。
（2-4）
m：
数据库数据的当前ID；
S[m]：
当前测试数据与数据库中数据的方差；
n：
数据处理后代表的RSSI的序号；
a[n]：
当前测试数据处理后第n个RSSI值；
b[m][n]：
数据库中第m行数据处理后第n个RSSI值；
N：
测试手机（j个）测到的蓝牙节点（i个）的RSSI值的总数i*j；
从上述方差S[m]中选出方差值最小的k个点，参照公式2-5求出当前位置。
设k个点的坐标为（
）、（
）…（
），则当前坐标（x,y）为：
（2-5）
2.3本章小结
本章主要介绍了系统的总体框图，并对整个系统进行理论分析。
在整个系统的理论分析的基础上，从蓝牙信号传播模型、位置指纹数据库以及最邻近算法三个方面对系统进行深层次分析。
3.系统硬件设计
3.1系统硬件设计框图
本系统硬件设计主要包括蓝牙模块、5V电源（充电宝）、测试手机以及显示手机。
系统总设计框图如图3-1所示：
3.2蓝牙无线信号网
3.2.1蓝牙无线信号网的布局图
蓝牙无线信号网的由若干个发送的蓝牙节点和若干个接收的测试手机组成，蓝牙节点和测试手机的个数决定蓝牙无线信号网的灵敏度，个数越多，灵敏度越高。
本设计主要依据测试区域的大小选择蓝牙节点与测试手机的个数。
本设计预计测试区域为9m*9m，选用8个蓝牙模块和4个测试手机去构建蓝牙无线信号网，同时用一个显示手机去控制蓝牙无线信号网的数据采集。
3.2.2采样点的分布图
采样点在测试区域中的分布需要均匀化，以便提高系统精确度，同时均匀采样点的个数越多，系统精确度越高，定位误差越小。
本系统预计测试区域为9m*9m，选择采样点的个数为16个，即（0,0）到（9,9）的16个点，采样间隔是3m。
3.3BC-05蓝牙模块
3.3.1BC-05的实物图与电路图
图3-5BC-05的电路图
3.3.2BC-05的特点
无线收发
灵敏度（误码率）达到-80dBm
-4-6dBm功率可调输出
蓝牙2.0带EDR，2Mbps-3Mbps调制度
内置2.4GHz天线，用户无需自己调试天线
外置8MbitFLASH
低电压3.3V工作（3.1V~4.2V）配对时30~40MA波动，配对完毕通信8MA
可选PIO控制
标准HCI端口（UARTorUSB）
USB协议：
FullSpeedUSB1.1，Compliantwith2.0
模块可以作为SMD贴片工艺
RoHS制程
引脚半孔工艺
数字2.4GHz无线收发射
CSRBC05蓝牙芯片技术
自适应跳频技术
体积小，（27mm*13mm*2mm）
简单的外围设计电路
蓝牙Class2功率级别
存储温度：
-40至+85度，工作温度：
-25至+75度
谐波干扰：
2.4MHz，发射功率3dBm
误码率：
0，但会在传输链路中产生信号衰变，才有误码，如RS232和TTL线路处理线路中
低功耗
高效能无线收发系统
低成本
3.3.3应用领域
蓝牙车载免提；
蓝牙无线数据传输；
自动化数据采集系统；
智能家居、工业控制；
该模块主要用于短距离的数据无线传输领域。
可以方便的和PC机的蓝牙设备相连，也可以两个模块之间的数据互通。
避免繁琐的线缆连接，能直接替代串口线。
3.4手机模块
本课题设计安卓编程支持的Android版本号：
高于Android3.0，测试手机与显示手机的Android版本号都在Android4.0以上。
3.4.1测试手机
本课题测试手机的型号分别为华为C8815、TCLP500M、海信E602M、HTCT329t。
华为C8815：
携带蓝牙2.0以上功能
系统：
Android4.1.2
CPU型号：
ARMv7Processorrev1（v7l）
CPU核心数：
四核
运行内存总量：
756MB
屏幕分辨率：
540*960
像素密度：
240PPI
多点触摸：
支持
TCLP500M：
携带蓝牙4.1以上功能
Android4.4
MT6732M
512MB
480*854
触摸屏：
电容屏
海信E602M：
Android4.4
MT6582M
HTCT329t：
Android4.0
CPU型号：
HTCH6S
双核
1G
480*800
电容屏、支持多点触摸
3.4.2显示手机
本课题测试手机的型号为中兴N919。
中兴N919：
Android4.1
高通骁龙SnapdragonMSM8625Q
220PPI
3.5本章小结
本章主要介绍了系统的硬件设计框图、蓝牙无线信号网的构建以及相关器件的介绍说明。
其中，蓝牙无线信号网的构建主要包括布局设置以及均匀采样点的设置分布。
4.系统软件设计
4.1软件系统总体设计
4.1.1系统软件总体设计框图
根据系统要求，需要完成的总体软件设计包括：
（1）系统初始化
（2）测试手机的数据采集
（3）显示手机的控制命令
（4）显示手机与测试手机的数据交换
（5）显示手机的数据处理
系统软件总体框图如图4-1所示：
4.1.2系统软件开发环境
本系统设计的任务主要是测试手机与显
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