基于射頻模塊的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

陳君梅，葉 娟，孫道宗

（1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院廣州學(xué)院，廣東廣州510640； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642）

0 引言

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，以及手機(jī)等智能終端設(shè)備的普及，室內(nèi)定位服務(wù)越來(lái)越受到人們的重視。室內(nèi)定位服務(wù)在日常生活、商業(yè)活動(dòng)、科學(xué)研究、直至搶險(xiǎn)搜救等方面都呈現(xiàn)出迫切的需求［1-4］。美國(guó)研究機(jī)構(gòu)ABI 研究員帕特里克·康諾利（Patrick Connolly）稱(chēng)：“室內(nèi)定位技術(shù)是下一波熱門(mén)定位技術(shù)，該技術(shù)將在2015～2017年間得到大量部署和實(shí)施［5］?！?/p>

然而，室內(nèi)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的空間，常用的衛(wèi)星訊號(hào)在傳播的過(guò)程中受到室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)的影響，定位精度大大下降，甚至無(wú)法進(jìn)行室內(nèi)定位。當(dāng)移動(dòng)物體位于比較封閉的室內(nèi)空間時(shí)，由于存在嚴(yán)重的障礙遮擋及非視距噪聲的干擾，其定位問(wèn)題必須通過(guò)探索其他技術(shù)來(lái)解決［6-7］。自20世紀(jì)90年代初以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于室內(nèi)定位開(kāi)展了大量的研究［8-11］，近幾年來(lái)世界各國(guó)研究機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界等均致力于室內(nèi)定位的研究，開(kāi)發(fā)了很多熱門(mén)技術(shù)，但各種技術(shù)仍存在諸多不足，因此，如何在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度定位，仍然是現(xiàn)階段定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

綜合目前國(guó)內(nèi)外的研究成果，定位方法大致可以分為：無(wú)線射頻RF（Radio Frequency）電磁波、超聲與射頻RF 電磁波相結(jié)合、RFID（Radio Frequency Identi?fication，即射頻識(shí)別）、紅外線等［12-13］。由于室內(nèi)、隧道及農(nóng)業(yè)大棚等受到特殊環(huán)境條件的限制，以及受方向性、距離、敷設(shè)的可行性等原因的影響，使后3 種方法不適合大范圍應(yīng)用于這些場(chǎng)合。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)具有非接觸式和非視距等特點(diǎn)，已經(jīng)成為優(yōu)選的室內(nèi)定位方法之一［14-15］。本研究主要基于無(wú)線射頻傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行移動(dòng)物體室內(nèi)定位理論及應(yīng)用研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于nanoPAN5375射頻模塊的室內(nèi)定位系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證，并記錄和分析測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)固定節(jié)點(diǎn)組成的等邊三角形邊長(zhǎng)增大后，通過(guò)三邊質(zhì)心算法和卡爾曼濾波算法，可得到較為精確的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件電路

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

室內(nèi)定位系統(tǒng)主要包含固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分。固定節(jié)點(diǎn)由微控制器、射頻模塊和磷酸鐵鋰電池組成；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在固定節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加了顯示當(dāng)前坐標(biāo)和目的坐標(biāo)的液晶、用于設(shè)定目的坐標(biāo)的鍵盤(pán)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和小車(chē)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選用NEC 公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MMC-1 和雙H 橋驅(qū)動(dòng)芯片L298N。系統(tǒng)配置微控制器PA.8 口為MMC-1 使能端，PA.9 和PA.10 為串口。微控制器利用串口向MMC-1控制寄存器寫(xiě)入控制字，MMC-1通過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

1.3 nanoPAN5375模塊

nanoPAN5375是一款基于2.4 GHz ISM頻帶的RF模塊，整合了放大、濾波等組件，采用了nanotron 的寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS）技術(shù)，對(duì)31.25 kbps～2 Mbps 范圍的數(shù)據(jù)傳輸率能靈活提供，同時(shí)提供具有極佳傳輸范圍的可靠數(shù)據(jù)通信，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距、平面定位、會(huì)話(huà)傳輸?shù)裙δ埽?6-17］。nanoPAN5375 模塊的大小與1元硬幣相當(dāng)，系統(tǒng)中固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)物圖如圖3所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)nanoPAN5375模塊測(cè)得與3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的距離，經(jīng)過(guò)三邊質(zhì)心算法結(jié)合卡爾曼算法濾波確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置。軟件主要包含nano?PAN5375 的測(cè)距、三邊質(zhì)心算法、卡爾曼濾波算法。固定節(jié)點(diǎn)部分的nanoPAN5375 模塊處于等待接收的狀態(tài)，接收到測(cè)距信息時(shí)，反饋回移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法流程圖如圖4所示。系統(tǒng)總流程圖如圖5所示，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的導(dǎo)航功能。

圖3 系統(tǒng)實(shí)物圖

D—移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，電路板下方安裝有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小車(chē)，可帶動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)；A，B，C—固定節(jié)點(diǎn)；N—應(yīng)用在系統(tǒng)中的nanoPAN5375射頻模塊

圖4 系統(tǒng)定位算法流程圖

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置分布示意圖如圖6所示。

三邊質(zhì)心算法用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置的確定。系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到3 個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的距離，計(jì)算相交圓的公共區(qū)域的質(zhì)心來(lái)提高對(duì)主機(jī)位置估算的精度［18-19］，示意圖如圖7所示。

設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為（x，y），已知點(diǎn)A，B，C的坐標(biāo)分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），它們到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)D的距離分別為d1，d2，d3。則可得如下方程：

根據(jù)式（1～3）可解出圓A與圓C的交點(diǎn)（xac1，yac1），（xac2，yac2），圓B與圓C的交點(diǎn)（xbc1，ybc1），（xbc2，ybc2），圓A與圓B的交點(diǎn)（xab1，yab1），（xab2，yab2）。

圖5 系統(tǒng)總流程圖

圖6 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)分布示意圖

圖7 三邊質(zhì)心法示意圖

通過(guò)將圓A與圓C的交點(diǎn)（xac1，yac1），（xac2，yac2）代入式(x-x2)2+(y-y2)2，經(jīng)判斷大小后可找出兩點(diǎn)中距圓B的圓心較近的點(diǎn)，假設(shè)為（xac1，yac1）。同理可找出圓B，圓C交點(diǎn)中距圓A的圓心較近的點(diǎn)，設(shè)為（xbc1，ybc1），圓A，圓B交點(diǎn)中距圓C的圓心較近的點(diǎn)，設(shè)為（xbc1，ybc1）。

依據(jù)質(zhì)心思想估算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為：

根據(jù)以上算法求出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)D的位置之后，本研究再利用卡爾曼濾波的推測(cè)值來(lái)校正移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量值，提高系統(tǒng)精度。

卡爾曼濾波是一種高效率的遞歸濾波器（自回歸濾波器），它能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測(cè)量中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。目標(biāo)的位置、速度、加速度的測(cè)量值往往在任何時(shí)候都有噪聲?？柭鼮V波利用目標(biāo)的動(dòng)態(tài)信息，設(shè)法去掉噪聲的影響，得到一個(gè)關(guān)于目標(biāo)位置的好的估計(jì)。這個(gè)估計(jì)可以是對(duì)當(dāng)前目標(biāo)位置的估計(jì)，也可以是對(duì)于將來(lái)位置的估計(jì)（預(yù)測(cè)）或?qū)^(guò)去位置的估計(jì)（插值或平滑）［20］。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

本研究將3個(gè)節(jié)點(diǎn)固定在邊長(zhǎng)為6 m的等邊三角形的3個(gè)頂點(diǎn)上，通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自帶的鍵盤(pán)，設(shè)定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)以10 cm/s 的速度在等邊三角形內(nèi)移動(dòng)時(shí)，筆者實(shí)時(shí)測(cè)量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，所記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，在邊長(zhǎng)為6 m的等邊三角形內(nèi)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)后X坐標(biāo)的平均相對(duì)誤差為12.72%，最大相對(duì)誤差為21.57%，Y坐標(biāo)的平均相對(duì)誤差為15.81%，最大相對(duì)誤差為32.91%。

表1 6 m邊長(zhǎng)等邊三角形內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)

筆者進(jìn)一步增加等邊三角形的邊長(zhǎng)，使三角形的邊長(zhǎng)在16 m～70 m 之間，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與3 個(gè)固定節(jié)點(diǎn)在較大范圍測(cè)量的距離如表2所示。

表2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的距離

由表2 可知，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離A點(diǎn)的平均相對(duì)誤差為2.36%，最大相對(duì)誤差為5.67%；距離B點(diǎn)的平均相對(duì)誤差為3.4%，最大相對(duì)誤差為6.92%；距離C點(diǎn)的平均相對(duì)誤差為1.39%，最大相對(duì)誤差為2.4%。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離固定節(jié)點(diǎn)A、B、C的平均測(cè)量誤差分別為0.5 m、0.8 m、0.4 m，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離固定節(jié)點(diǎn)A、B、C的最大測(cè)量誤差分別為1.1 m、1.53 m、0.58 m。

試驗(yàn)結(jié)果表明，增加固定節(jié)點(diǎn)A、B、C之間的距離后，在新組成的等邊三角形內(nèi)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分別與3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)距離的平均相對(duì)誤差和最大相對(duì)誤差均大幅度減小，這是由于增大移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與固定節(jié)點(diǎn)之間的距離后信號(hào)傳播時(shí)間較長(zhǎng)，干擾和時(shí)鐘誤差等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響相對(duì)較小。增加固定節(jié)點(diǎn)之間的距離后，平均誤差均小于室內(nèi)定位導(dǎo)航要求的1 m，最大測(cè)量誤差超出了0.53 m，實(shí)現(xiàn)了比較精確地測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以STM32F103 微控制器為核心，結(jié)合nanoPAN5375 模塊，構(gòu)成3 個(gè)固定節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，編寫(xiě)相應(yīng)算法和軟件，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)位置測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與3 個(gè)固定節(jié)點(diǎn)在測(cè)量距離較大的情況下，該系統(tǒng)具有較高的定位精度。而較大的測(cè)量距離正是大型室內(nèi)空間中移動(dòng)物體定位所需要的，因此，該系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性。

該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的導(dǎo)航功能，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上設(shè)定坐標(biāo)后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)以10 cm/s 的速度從當(dāng)前坐標(biāo)向目的坐標(biāo)移動(dòng)。該系統(tǒng)經(jīng)改進(jìn)后可用于室內(nèi)車(chē)間、礦井、隧道、地下車(chē)庫(kù)、溫室大棚等室內(nèi)需要定位或?qū)Ш降难b備上，通過(guò)將該系統(tǒng)中的小車(chē)替換成其他滿(mǎn)足需求的動(dòng)力裝置，則可實(shí)現(xiàn)較為快速地移動(dòng)，以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

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