基于慣性導(dǎo)航與射頻識(shí)別的室內(nèi)定位系統(tǒng)研制

陳可欣　王紅　朱瑞　莫富琪

摘 要 研制了一套室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過射頻識(shí)別（ RFID，Radio Frequency Identification） 讀卡器和慣性傳感器來獲取狀態(tài)信息，經(jīng)由ARM處理器解算位置信息和跌倒信號(hào)，并將信號(hào)通過藍(lán)牙無線傳輸給外部設(shè)備。

關(guān)鍵詞 室內(nèi)定位 慣性導(dǎo)航 RFID 跌倒檢測

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.09.016

Development of Indoor Positioning System Based on Inertial Navigation and Radio Frequency Identification

CHEN Kexin， WANG Hong， ZHU Rui， MO Fuqi

（Electronic Information School， Wuhan University， Wuhan， Hubei 430072）

Abstract Developed a set of indoor positioning system， through the radio frequency identification （RFID Radio， Frequency Identification） card reader and inertial sensor to obtain status information via the ARM processor solution position information and transmits the signal to the signal falls， and external devices via Bluetooth wireless transmission.

Keywords indoor positioning； inertial navigation； RFID； fall detection

0 緒論

隨著社會(huì)老齡化的加劇，老年人獨(dú)自在家時(shí)的安全問題越發(fā)得到社會(huì)的關(guān)注，而跌倒是我國65歲以上老年人因傷害而死亡的頭號(hào)殺手。研發(fā)一套實(shí)用的室內(nèi)定位及跌倒報(bào)警系統(tǒng)迫在眉睫。

GPS定位現(xiàn)已得到廣泛的應(yīng)用，但該定位信號(hào)難以穿透建筑物，不適用于室內(nèi)定位。[1]目前慣性傳感器被廣泛應(yīng)用于定位等系統(tǒng)的研制，因其具有抗干擾性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)而備受青睞，但它往往需輔以其他定位系統(tǒng)共同作用。

本文利用慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位穩(wěn)定性，輔以射頻識(shí)別技術(shù)，測得位置與狀態(tài)信息。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)

本文選用ARM處理器和安卓手機(jī)的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，ARM 與安卓平臺(tái)的聯(lián)合使用為室內(nèi)定位系統(tǒng)的研制提供了可行性與可靠性。圖1是整體硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

在家中鋪設(shè)一定量的磁卡，且位置坐標(biāo)已知，供讀卡器讀取，此時(shí)家中老人身上佩戴的裝置里有慣性傳感器以及RFID讀卡器會(huì)記錄信息，以實(shí)時(shí)解算與記錄老人的行走路徑。老人的行走軌跡與跌倒信號(hào)通過藍(lán)牙從老人身上佩戴的裝置傳輸至室內(nèi)放置的安卓智能手機(jī)，室內(nèi)的安卓智能手機(jī)判斷是否接收到摔倒信號(hào)，并繪制行走路線圖，若接收到了摔倒信號(hào)則向家人的手機(jī)撥打電話，完成跌倒警報(bào)。

整個(gè)硬件體系分為ARM 數(shù)據(jù)處理與手機(jī)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分，其中ARM 數(shù)據(jù)處理部分包括傳感器與讀卡器數(shù)據(jù)的提取、定位算法與藍(lán)牙傳輸三項(xiàng)功能，手機(jī)數(shù)據(jù)處理則包含有藍(lán)牙接收、繪制行走路徑圖與摔倒報(bào)警等部分。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 位置信息提取模塊

原始信息提取部分有兩個(gè)信號(hào)源，一是慣性傳感器，一是RFID讀卡器。

本文所使用的慣性傳感器是集成有高精度的陀螺加速度計(jì)MPU6050的6軸慣性導(dǎo)航模塊，集成了三軸MEMS 陀螺儀和三軸MEMS 加速度計(jì)，陀螺儀可測范圍為±2000°/s，加速度計(jì)可測范圍為±16g。

RFID俗稱電子標(biāo)簽，主要由電子標(biāo)簽、天線、讀寫器和主機(jī)組成，是一種利用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)。[2，3]本研究中讀取固定位置坐標(biāo)所用的模塊是7941E 低頻嵌入式讀卡模塊，它集成了高性能讀卡射頻電路及天線，模塊體積十分小巧，方便嵌入，讀寫頻率為125kHz，支持多種卡片讀寫操作，其中對于EM4100 卡的讀寫距離大于8cm。

2.2 信息傳輸模塊

ARM處理器與安卓手機(jī)間的信息傳輸是通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)的，藍(lán)牙作為一種電纜替代技術(shù)，具有低成本、高速率的特點(diǎn)，是短距離、低成本無線通信技術(shù)之一。[4-6]本文中使用的是HC-06藍(lán)牙模塊，該模塊工作在2.4G無線頻段，遵循藍(lán)牙V2.0 + EDR藍(lán)牙規(guī)范，最高傳輸速率可達(dá)2.1m，傳輸距離超過20m。

3 定位算法

3.1 原始數(shù)據(jù)處理

傳感器剛通電時(shí)，模塊內(nèi)部的MCU會(huì)在模塊靜止的時(shí)候進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)（消除陀螺零漂），校準(zhǔn)以后z軸（方向豎直向上）的角度會(huì)重新初始化為0，z軸角度輸出為0時(shí)，可視為自動(dòng)校準(zhǔn)完成的信號(hào)，但此時(shí)另外兩軸，即x和y軸的加速度不為零，經(jīng)過長時(shí)間多次積分后會(huì)產(chǎn)生非常大的誤差，所以我們在正式采集數(shù)據(jù)之前，會(huì)先采集20組樣本數(shù)據(jù)，將它們相加取平均值，求得的數(shù)據(jù)作為傳感器的系統(tǒng)誤差。這20組樣本數(shù)據(jù)的采集時(shí)間非常短，傳感器串口的波特率為115200bit/s，傳感器每次傳回的一組數(shù)據(jù)里包含有三個(gè)數(shù)據(jù)包，分別為加速度、角速度和角度輸出值，每個(gè)數(shù)據(jù)包中有11個(gè)數(shù)據(jù)，分別為包頭、標(biāo)識(shí)、x-y-z三軸數(shù)據(jù)的高低字節(jié)以及溫度和校驗(yàn)和等數(shù)據(jù)，而每個(gè)字節(jié)有16bit，則可計(jì)算出20組數(shù)據(jù)大小為10560bit，故傳輸20組數(shù)據(jù)所需時(shí)間約為0.091667s，即只需在傳感器通電后的0.1秒之內(nèi)即可完成這項(xiàng)誤差消除的工作。誤差消除之后開始的正式數(shù)據(jù)采集會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)減去之前所求得的系統(tǒng)誤差，相減的結(jié)果即認(rèn)為是真實(shí)的三軸加速度值。endprint

3.2 行進(jìn)方向判定

按照設(shè)計(jì)，慣性傳感器是固定在佩戴者的腰間，x軸朝向人體右側(cè)，y軸朝向人體行進(jìn)的正方向，z軸豎直向上，如圖2。

慣性傳感器在返回加速度值的同時(shí)會(huì)返回姿態(tài)角數(shù)值，姿態(tài)角結(jié)算時(shí)所使用的坐標(biāo)系為東北天坐標(biāo)系，歐拉角表示姿態(tài)時(shí)的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)順序定義為z-y-x，即先繞z軸轉(zhuǎn)，再繞y軸轉(zhuǎn)，再繞x軸轉(zhuǎn)。為了統(tǒng)一三軸加速度和姿態(tài)角的坐標(biāo)系，將傳感器返回的三軸加速度矢量的坐標(biāo)系變換為東北天坐標(biāo)系。

3.3 路程計(jì)算

成功去噪除雜之后，得到了三個(gè)方向上的加速度曲線，之后進(jìn)行二次積分求得行走路程，原理如圖3所示，計(jì)算方法見公式（1）。

（1）

其中，時(shí)間間隔（t1-t0），（t2-t1）……（tn-tn-1）很小，取決于我們的采樣率，記為△t，

（2）

其中

（3）

初速度v（t0）可在最初傳感器采集二十組樣本數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)誤差時(shí)設(shè)置為零，那時(shí)傳感器剛通上電，置x軸和y軸加速度為零的同時(shí)可認(rèn)為初始速度為零。

3.4 跌倒檢測

由于人體在跌倒過程中，特征量會(huì)發(fā)生變化，如人體加速度值、傾角值、及腳掌承受的壓力等，因此可通過對這些量進(jìn)行分析得出每個(gè)量的變化規(guī)律，找出一些能夠區(qū)分不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的閾值。[7]

經(jīng)過多次行走測試，通過測試結(jié)果得知正常行走所產(chǎn)生的加速度是在0.3g（約為2.9m/s2）以內(nèi)的，若以本研究的目標(biāo)人群，即老年人的緩步行走方式進(jìn)行測試，則測試結(jié)果還會(huì)更小一點(diǎn)，約在0.2g（約為2.0m/s2）以內(nèi)。又經(jīng)過多次摔倒（自由落體）測試，通過測試結(jié)果得知摔倒時(shí)沿倒下方向上的加速度數(shù)值大約在7m/s2左右，故測試跌倒時(shí)數(shù)值應(yīng)大于2.9m/s2，且小于7m/s2?？紤]到跌倒時(shí)，下落方向不一定完全沿著傳感器的x-y-z三軸方向，所測數(shù)值會(huì)比實(shí)際偏小，所以取加速度大于5m/s2時(shí)判斷為摔倒。

已知在進(jìn)行行走、坐臥、側(cè)躺等行為時(shí)，會(huì)有某一軸的加速度因地心引力的作用而恒大于5m/s2，為減少誤判，保證傳感器模塊佩戴者睡下時(shí)裝置不會(huì)發(fā)出摔倒警報(bào)，則摔倒判斷的條件需為某兩軸的加速度同時(shí)大于5m/s2。

當(dāng)設(shè)備檢測到跌倒時(shí)，即通過藍(lán)牙模塊向手機(jī)發(fā)送特定字符，手機(jī)接收后向?qū)崿F(xiàn)預(yù)存好的電話號(hào)碼撥打電話，以實(shí)現(xiàn)跌倒警報(bào)功能。

3.5 信息傳輸

實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備到安卓手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸利用的是藍(lán)牙功能，手機(jī)與藍(lán)牙串口模塊建立藍(lán)牙數(shù)據(jù)收發(fā)通道，使得手機(jī)APP可以獲取藍(lán)牙模塊的輸入輸出流，從而實(shí)現(xiàn)對嵌入式設(shè)備的無線控制和通信。

當(dāng)嵌入式設(shè)備檢測情況正常時(shí)，通過藍(lán)牙向手機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)位置信息。當(dāng)判斷出跌倒?fàn)顩r時(shí)，則向手機(jī)發(fā)送特定字符。 在成功判斷摔倒的情況下，室內(nèi)手機(jī)接收到特定字符，并自動(dòng)撥打電話給指定的手機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)設(shè)備有ARM處理器一臺(tái)，慣性傳感器一個(gè)，RFID讀卡器一個(gè)，RFID標(biāo)簽卡若干張，藍(lán)牙一只，安卓手機(jī)兩臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為一人將由ARM處理器、慣性傳感器、RFID讀卡器和藍(lán)牙等器件連接、組裝而成的嵌入式設(shè)備佩戴在腰間，此時(shí)裝置內(nèi)已預(yù)先寫入定位程序。選擇一段走廊作為實(shí)驗(yàn)場所，再將RFID標(biāo)簽分布在預(yù)先規(guī)劃好的行進(jìn)路線上。將按比例繪制的宿舍走廊圖導(dǎo)入安卓手機(jī)，佩戴裝置者模仿老年人緩步行走，記錄安卓手機(jī)上顯示的路徑圖。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)，得到如圖4所示結(jié)果。其中黑色線條為走廊輪廓，紅色線條為繪制的行走路徑，綠色線條為真實(shí)行走路徑。 （下轉(zhuǎn)第58頁）（上接第34頁）

圖4 安卓手機(jī)上繪制的路徑圖

觀察上述系統(tǒng)運(yùn)行收集到的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在行走初期存在有很大的路徑偏差，現(xiàn)實(shí)中實(shí)驗(yàn)者邊走邊向右側(cè)轉(zhuǎn)彎，而繪制出的路徑是直接指向出發(fā)點(diǎn)對面的墻壁，經(jīng)過分析后得知這是因?yàn)槲覀兯徶玫膽T性導(dǎo)航傳感器有時(shí)會(huì)發(fā)生無規(guī)律的數(shù)值跳變，這可能是因?yàn)閭鞲衅髋cARM板位置相近，有時(shí)會(huì)受到一定的電磁干擾，這種跳變導(dǎo)致最后繪制出的路徑朝傳感器某一坐標(biāo)軸方向近乎直線地偏離，但在經(jīng)過兩次RFID固定標(biāo)簽的位置校正后，可看出路徑恢復(fù)正常，繪制的行走路徑與現(xiàn)實(shí)中的路徑基本重合。

5 總結(jié)

若僅使用慣性導(dǎo)航來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，則易受干擾，定位誤差大，精確度低，輔以RFID進(jìn)行定點(diǎn)校正位置坐標(biāo)則可有效提高定位精確度，且定位精度與RFID標(biāo)簽的數(shù)量與擺放密度有直接的關(guān)系。配合一定量的固定位置RFID標(biāo)簽進(jìn)行坐標(biāo)校正，基于慣性導(dǎo)航的定位系統(tǒng)可基本滿足室內(nèi)定位的需求。

參考文獻(xiàn)

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