基于CC的室内定位系统设计与实现.pdf

基于CC的室内定位系统设计与实现.pdf

《基于CC的室内定位系统设计与实现.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CC的室内定位系统设计与实现.pdf（5页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第卷第期湖北工业大学学报年月收稿日期作者简介曾论（），男，湖北汉川人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为嵌入式与智能控制文章编号（）基于的室内定位系统设计与实现曾论，张铮，陶兴鹏，王婵（湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉）摘要为了解决当前室内定位系统精确度低、可靠性差的缺点，设计并实现了一种基于无线传感器网络的室内定位系统。

系统硬件以为主控芯片，在节点自主定位基础上增加了上位机辅助定位模式，在该模式下调用可降低环境变化对定位精度产生干扰的加权质心定位算法。

在本定位系统上也可以随时修改上位机定位算法，方便以后作进一步地改进。

经测试表明：

本系统运行稳定，易于维护，定位精度较其他定位平台大大提高。

关键词；室内定位；定位算法中图分类号文献标识码：

随着数据业务的快速增加和物联网技术的发展，对目标进行检测、定位、跟踪和导航要求日益增高。

在环境复杂的室内（如机场大厅、工厂、展厅、仓储、地下车场）等常需要确定设施与物品在室内的位置，还有许多如地下矿井安全、大型结构件的吊装、移动机器人作业与路径控制、复杂机械监控、城市智能交通等领域不仅需要对移动目标进行定位和跟踪，有时还需对其姿态调整和路径导航，所以急切需要开发低成本、高可靠性的室内定位系统。

相比于其他无线传感器网络通信技术，技术低功耗，低成本、高容量、高安全性的特点非常适合于多点数据通信搭建室内定位平台。

本文提出在下位机上统一选用出产的，正是该技术的一款成熟解决方案。

系统整体结构及定位原理系统整体结构网络有星状、树状和网状种拓扑结构。

网状结构具有强大的功能，可以通过“多跳”的方式通信。

网络还具备自组织、自愈功能，结构也最复杂；星型网络具有简洁和低功耗点特点，使用简单，性价比高。

本文系统采用网络中的网状拓扑结构，运行在协议栈上，协调器负责建立网络和维持系统运转，参考节点和待定位节点都由路由节点充当，三者之间两两可通信。

待定位节点可以收集一跳范围内所有参考节点的信息，以供计算自身位置。

也可以将参考节点信息通过协调器转发到上位机，让上位机辅助计算定位。

系统结构图如图所示。

图系统结构示意图定位原理系统以基于（信号接收强度）的测距技术为基础。

该技术主要使用的是信号，首先测得待定位节点接收到不同参考节点的信号功率，连同各个参考节点发射时的信号功率，两者之间的差的绝对值为传播损耗，然后利用信号传播衰减模型，将传播损耗转化为距离。

理论值（）（）式中：

是通信距离，代表距离为时的接收信号强度，代表信号传播常量，通常取值范围在之间。

在室内情况下，分别测出不同距离（距离已知）两个节点之间的值，根据曲线可以拟合求解、值。

那么就可以根据未知距离下测得的求得参考节点与待定位节点之间的距离。

在二维平面内，如果有个（及个以上）的参考节点（，）、（，）、（，），根据三边定位算法，由欧拉公式得：

（）（）槡（）（）槡（）（）槡烅烄烆（）由式（）可以计算得到待定位节点（，）的坐标为：

（）（）（）（）（）硬件设计系统中的无线传输模块由德州仪器（）公司提供的芯片组成。

是为了实现嵌入式而设计的片上系统，使用的是一个单周期的兼容内核。

它有三种不同的访问总线，其中包括中断控制器、内存仲裁器、最高闪存、两个位定时器、个支持多种串行通信协议的、个可编程通用引脚。

模块电路如图所示。

图通信模块射频电路每个节点在芯片外围加上射频天线模块、阻抗匹配模块、供电模块即可工作。

另外，各个节点都加了灯，用来显示组建网络、加入网络等情况。

图终端节点示意图下位机软件设计协调器功能流程协调器上电后，先进行硬件电路的初始化，然后按照编译时给定的参数，选择合适的信道、合适的网络号建立无线网络，通过上位机命令发送配置参考节点和待定位节点信息，控制通信方式，也可以接收各个节点的数据，然后上传到上位机。

图协调器流程图参考节点功能流程参考节点加入网络后，根据接收到的数据形式，主要可分为四种功能：

将上位机发送配置信息写入到参考节点、读取配置信息经协调器发送到上位机、多次搜集、将滤波后的和自身坐标发送至待定位节点（图）。

第卷第期曾论，等基于的室内定位系统设计与实现图参考节点流程待定位节点功能流程待定位节点主要功能流程与参考节点相似，包括节点信息配置、读取和接收，不同之处在于待定位节点会向参考节点发送位置请求，参考节点将自身坐标和值发送到待定位节点后，待定位节点就可以利用这些信息计算自身的坐标位置（图）。

图待定位节点流程下位机定位算法质心算法是无需测距的简单定位算法，对于个固定参考节点（，）、（，）、（，），（，）组成的定位区域内，采用质心定位算法计算待定位节点（，）的估计坐标：

烅烄烆（）但是这种算法没有考虑各个参考节点到待定位节点的距离并不相同，参考节点对于待定位节点的坐标求解所起到的影响作用其实是不一样的，所以定位精度较低。

因此在原有算法基础上使用加权质心定位算法，通过加权因子来反应参考节点对质心坐标决定的影响程度，离待定位节点越远的参考节点权值应该越小。

为节省计算开销，将权值取为经过滤波后发送到待定位节点的绝对值的倒数，即，则估计坐标可表示为：

（），（）（）在协议栈上完成待定位节点的定位算法嵌入，定位算法程序如下：

（，）；（）？

：

）；（，）；（，）；动态开辟二维数组（列），每列分别存参节点的值，值和值；（；）读入各个参考节点信息；坐标；坐标（）；取绝对值；（；）；存储（）；存储（）；存储（！

）湖北工业大学学报年第期；待定位节点坐标；待定位节点坐标（）（）；（）（）；（，）；（，）；上位机软件设计上位机辅助定位算法在环境变化小、可通信参考节点数量多的情况下，下位机定位算法精度较高，待定位节点计算自身坐标后可以直接在液晶屏上显示。

本系统也在上位机上提供了改进的加权质心定位算法来辅助定位，以适应更加复杂的环境。

其基本流程是：

待定位节点将接收到各个参考节点的信息并通过协调器转发到上位机，上位机上使用编写定位算法，利用接收信息计算待定位节点的坐标，生成动态链接库，提供已计算得出的待定位节点坐标，在上位机软件上显示。

下位机定位算法只考虑待定位节点到参考节点的，而没有加入其他修正算法，环境变化时误差可能较大，故在上位机辅助定位算法采用改进的加权质心定位算法。

该算法中，把待定位节点到各个参考节点的比值作为每个参考节点对测距影响的权重，就可以保证环境变化时权值变化很小。

对于个固定参考节点（，）、（，）、（，），（，），待定位节点（，）接收到各个参考节点的值分别为，定义为待定位节点接收到、信号接收强度的比值：

，；，；（）那么，第个参考节点的权值则为：

，（）将式（）代入式（）当中，则估计坐标可表示为：

（，），（，），（）上位机控制软件上位机软件用制作，通过串口控制协调器通信，也可以调用动态链接库数据显示定位结果。

如图、图所示，分别为上位机给参考节点和待定位节点配置和获取信息界面。

图则为上位机辅助定位显示待定位节点坐标界面。

图参考节点配置图待定位节点配置图定位结果界面实验测试标定、值在室内情况下，任取两个可通信节点，节点间距由增大到，分别测得每个间距下次并求平均值，根据实验数据得到关系曲线如图所示。

经过拟合后：

（），即可得出，。

图值拟合曲线图第卷第期曾论，等基于的室内定位系统设计与实现定位实验数据在湖北工业大学数控中心场地测试，将拟合得到的、值写入图所示的“参数”和“参数”中，完成组实验，取其中组数据对比，表、表分别为上、下位机定位算法精度表。

经比较，上位机算法精度显著高于下位机算法精度。

表上位机定位算法精度表实际坐标实际坐标测量坐标测量坐标定位误差表下位机定位算法精度表实际坐标实际坐标测量坐标测量坐标定位误差结束语本文以为核心，设计和搭建了特有上位机辅助定位模式的定位平台。

通过实验测试，本系统可以在较开阔场地达到较高的定位精度，可修改或加入不同的上位机定位算法，比较各种定位算法优缺点，并且提供了友好的操作界面，方便进一步的测试和改进。

参考文献李文仲，段朝玉无线网络技术入门与实战北京：

北京航空航天大学出版社，高守玮，吴灿阳技术实践教程北京航空航天大学出社，倪巍，王宗欣基于接收信号强度测量的室内定位算法复旦大学学报（自然科学版），（）：

朱剑，赵海，孙佩刚，等基于均值的等边三角形定位算法东北大学学报（自然科学版），（）：

王小强，欧阳骏，黄宁淋无线传感器网络设计与实现北京：

化学工业出版社，章磊，黄光明基于的无线传感器网络节点定位算法计算机工程与设计，（）：

，（，）：

，；，：

；责任编校：

张众湖北工业大学学报年第期