室內(nèi)場(chǎng)館無線定位智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何沃林

摘 要：針對(duì)GPS室外定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境存在信號(hào)質(zhì)量差、成本高、功耗大等缺點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)場(chǎng)館無線定位智能管理系統(tǒng)，利用智能手機(jī)作為移動(dòng)終端，由參考節(jié)點(diǎn)兼做監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，采用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分布式計(jì)算定位結(jié)果，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用率。結(jié)合ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等傳輸模式，實(shí)現(xiàn)了在智能手機(jī)、移動(dòng)管理終端（iPad）和固定管理終端（PC機(jī)）上對(duì)人員的雙向定位及設(shè)備監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的正確采集和傳輸，室內(nèi)定位精度可滿足場(chǎng)館人員的定位需求。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；人員定位；設(shè)備監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP39；TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越普遍[1]，我們可以在科技館、展覽館、博物館中，采用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并在室內(nèi)相關(guān)區(qū)域部署參考節(jié)點(diǎn)，通過隨身攜帶的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)人員進(jìn)行定位和設(shè)備監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館的智能化管理。當(dāng)前一些室內(nèi)無線定位系統(tǒng)大都采用監(jiān)控式的被定位方式，即由被定位者攜帶移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入相關(guān)監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過測(cè)距和運(yùn)行定位算法獲得位置信息，且其只能在場(chǎng)館管理終端的界面上顯示，由管理人員進(jìn)行監(jiān)控，而被定位者則無法獲知自身的位置信息[2]。如果在較大的空間和復(fù)雜的環(huán)境中，被定位者可對(duì)自身所處位置進(jìn)行主動(dòng)獲取，那么室內(nèi)導(dǎo)航將變得更為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。因此，可以將主動(dòng)和被動(dòng)定位方式相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種既可通過移動(dòng)終端設(shè)備主動(dòng)獲知自身定位信息，又可通過本地或遠(yuǎn)程端監(jiān)控定位的ZigBee網(wǎng)絡(luò)雙向定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的需求分析

室內(nèi)場(chǎng)館無線定位智能管理系統(tǒng)主要應(yīng)用在各種大型場(chǎng)館的人員定位、室內(nèi)導(dǎo)航、設(shè)備監(jiān)測(cè)、智能導(dǎo)覽等方面，主要功能和技術(shù)要求如下：

（1）可以對(duì)觀眾和管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)無線定位，節(jié)點(diǎn)間的有效通信距離不小于10 m，定位誤差小于1 m，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大、具有一定的抗干擾能力。

（2）觀眾和管理人員可通過手持移動(dòng)顯示終端，實(shí)時(shí)獲取自身和其他人員的位置信息，還可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館導(dǎo)航、展品導(dǎo)覽、信息查詢、設(shè)備監(jiān)測(cè)等功能。

（3）監(jiān)測(cè)展廳的展品、設(shè)備的工作狀態(tài)，溫度、噪音等環(huán)境情況，同時(shí)將這些參數(shù)發(fā)送給服務(wù)器。

（4）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立完成自身位置坐標(biāo)的計(jì)算，具有體積小、方便攜帶、耗電量低等優(yōu)點(diǎn)。

（5）保存定位數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、人員信息等，通過后臺(tái)管理終端可對(duì)上述信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

室內(nèi)場(chǎng)館無線定位智能管理系統(tǒng)主要包括下位機(jī)-ZigBee定位系統(tǒng)和上位機(jī)-應(yīng)用管理系統(tǒng)兩部分。上位機(jī)由數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、固定管理終端（PC機(jī)）、移動(dòng)客戶終端（智能手機(jī)）和移動(dòng)管理終端（iPad）組成；下位機(jī)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)的三種設(shè)備構(gòu)成，即移動(dòng)、參考節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的工作原理和主要功能如下：

（1）由協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無線定位系統(tǒng)。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)完成后，由于已知參考節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)位置，因此，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（觀眾節(jié)點(diǎn)和管理員節(jié)點(diǎn)）進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域后便開始廣播，以獲取參考節(jié)點(diǎn)的物理地址、RSSI數(shù)值。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的處理器獨(dú)立計(jì)算出自身的位置坐標(biāo)后，將這些定位數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送到系統(tǒng)服務(wù)器[3]，從而獲取觀眾和管理人員的數(shù)量和位置等信息。

（2）無線定位網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點(diǎn)預(yù)先規(guī)劃并固定安裝在展廳的室內(nèi)建筑和展品上，除可提供定位服務(wù)外，參考節(jié)點(diǎn)自帶的各種傳感器可收集展廳的溫度、噪音和展品的工作狀態(tài)等參數(shù)[4]，在設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)通過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。

（3）觀眾和管理人員登記身份信息后，每人攜帶的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)代碼對(duì)應(yīng)個(gè)人的身份信息，并由數(shù)據(jù)庫保存移動(dòng)節(jié)點(diǎn)代碼與身份信息。

（4）觀眾攜帶移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入場(chǎng)館，使用智能手機(jī)通過WiFi或GPRS網(wǎng)絡(luò)登錄服務(wù)器，輸入自己的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)代碼，可以在電子地圖上查看展廳的分布、路線、自身位置信息、其他觀眾和場(chǎng)館管理人員的位置分布信息，并顯示觀眾實(shí)際位置附近展品的導(dǎo)覽信息，供觀眾選擇瀏覽。當(dāng)觀眾需要幫助時(shí)，可以通過按下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的報(bào)警按鍵，通知場(chǎng)館的管理人員提供幫助。

（5）為減少因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸延遲對(duì)實(shí)時(shí)定位造成的影響，保證在沒有 WiFi或GPRS網(wǎng)絡(luò)的情況下系統(tǒng)可正常使用，定位數(shù)據(jù)傳送采用藍(lán)牙信號(hào)傳輸方式。隨身攜帶的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)獲取周圍ZigBee參考節(jié)點(diǎn)的位置信息，處理器進(jìn)行定位計(jì)算后，通過串口向藍(lán)牙模塊發(fā)送定位數(shù)據(jù)，完成藍(lán)牙信號(hào)轉(zhuǎn)換后，再向智能手機(jī)傳遞[5]。觀眾通過智能手機(jī)下載的客戶端軟件，可以在電子地圖上查看展廳和展品的分布、參觀路線、自己的實(shí)時(shí)位置信息，獲取展品的導(dǎo)覽信息。

（6）管理人員攜帶移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入場(chǎng)館，使用iPad等移動(dòng)管理終端，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)登錄服務(wù)器，可以在電子地圖上查看自己、觀眾和其他管理人員的位置信息，以及觀眾的身份信息、求助觀眾的位置信息，還可監(jiān)控展廳的溫度、噪音等環(huán)境參數(shù)和展品的工作狀態(tài)。

（7）數(shù)據(jù)庫主要對(duì)定位數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)、人員信息、展品信息等進(jìn)行保存，并對(duì)其進(jìn)行組織分類，以提高系統(tǒng)的檢索效率[6]。

（8）固定管理終端可以實(shí)時(shí)監(jiān)控觀眾和管理人員的位置信息、觀眾求助信息，獲取觀眾身份、時(shí)間和路線等數(shù)據(jù)和信息，監(jiān)控展廳的溫度、噪音等環(huán)境參數(shù)和展品的工作狀態(tài)，通過對(duì)以上信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，為場(chǎng)館運(yùn)營提供有效的技術(shù)支撐和管理手段。

3 系統(tǒng)無線定位工作流程

系統(tǒng)無線定位工作流程如圖2所示。

（1）系統(tǒng)上電初始化，協(xié)調(diào)器組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)；

（2）所有參考節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并完成配置；endprint

（3）參考節(jié)點(diǎn)完成模型自適應(yīng)，并校準(zhǔn)模型的所有參數(shù)[7]；

（4）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，完成配置。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位廣播信息，每間隔20 ms進(jìn)行8次RSSI“廣播發(fā)送”和1次RSSI“請(qǐng)求發(fā)送”；

（5）參考節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的8次RSSI廣播后，把接收到的RSSI廣播信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為RSSI值，然后將8次RSSI廣播之后獲得的量化值，通過高斯濾波處理求平均值[8]。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)接收到RSSI請(qǐng)求后，就向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)反饋 RSSI 平均值、環(huán)境參數(shù)、自身坐標(biāo)等信息；

（6）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)按RSSI值的大小對(duì)各參考點(diǎn)信息進(jìn)行排序，丟棄無效數(shù)據(jù)，保留有效的3～8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信息，完成一次定位信息的搜集，定位周期為 1 s；

（7）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)把一個(gè)定位周期內(nèi)接收到的參考節(jié)點(diǎn)的定位信息發(fā)送給內(nèi)部定位運(yùn)算處理器，按照運(yùn)行設(shè)定的定位算法，計(jì)算出自身的位置信息[9]；

（8）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將自身位置信息通過協(xié)調(diào)器發(fā)送到上位機(jī)服務(wù)器， 通過B-0004藍(lán)牙模塊將位置信息發(fā)送給智能手機(jī)；

（9）根據(jù)接收到的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置信息，在智能手機(jī)、移動(dòng)管理終端（iPad）和固定管理終端（PC機(jī)）的電子地圖上，不但可以看到自己的實(shí)時(shí)位置信息，還能看到其他觀眾和場(chǎng)館管理人員的位置分布信息；

（10）參考節(jié)點(diǎn)上的傳感器定期把展廳的環(huán)境參數(shù)和展品的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器發(fā)送給服務(wù)器，并在固定管理終端的界面上顯示，也可以通過登錄iPad等移動(dòng)管理終端查看。

4 移動(dòng)終端的室內(nèi)無線定位功能實(shí)現(xiàn)

以Android系統(tǒng)的智能手機(jī)為例，介紹了移動(dòng)終端室內(nèi)無線定位功能的實(shí)現(xiàn)方法。

4.1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與Android系統(tǒng)智能手機(jī)的通信

Android手機(jī)的客戶端啟用藍(lán)牙適配器，搜索到B-0004藍(lán)牙模塊后與其配對(duì)，輸入配對(duì)密碼后，設(shè)備連接成功。Android手機(jī)與B-0004藍(lán)牙模塊連接成功后，啟動(dòng)已連接線程就可以進(jìn)行信息交互，完成數(shù)據(jù)的偵聽和處理。

4.2 Android手機(jī)電子地圖的載入

室內(nèi)場(chǎng)館電子地圖的載入可以方便用戶直觀地看到自身所處位置，從而快速到達(dá)目的地。Android系統(tǒng)最常用XML配置文件生成界面。電子地圖載入在Android系統(tǒng)的floorView類中實(shí)現(xiàn)，當(dāng)載入了兩層樓的建筑平面圖時(shí)，以Tab標(biāo)簽的形式在同一個(gè)界面顯示，把view1設(shè)置為一樓平面圖，view2設(shè)置為二樓平面圖，并作為Tab頁面背景嵌入到程序中。

4.3 數(shù)據(jù)的通信格式

Android手機(jī)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和ZigBee無線定位網(wǎng)絡(luò)定義了相同的通信格式，其定義的消息幀如圖3所示。

4.4 定位人員位置顯示

Android手機(jī)根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的定位坐標(biāo)、建筑平面圖規(guī)格和屏幕尺寸，在電子地圖上顯示出定位人員的相應(yīng)位置。在XML文件的picflash類中實(shí)現(xiàn)定位人員位置在電子地圖上的繪制。定位人員的圖標(biāo)是一個(gè)預(yù)先設(shè)置好的ImageView，以建筑平面圖為背景，通過程序?qū)⑵浞胖迷诮缑娴奶囟ㄎ恢?。通過接收藍(lán)牙模塊發(fā)來的定位數(shù)據(jù)，刷新節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)置地圖刷新標(biāo)識(shí)，通過picflash類重新繪制節(jié)點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)地圖刷新[10]。人員在一樓和二樓的位置顯示效果如圖4所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 參考節(jié)點(diǎn)的傳感器測(cè)試

參考節(jié)點(diǎn)除提供定位數(shù)據(jù)外，還可通過自帶的傳感器收集設(shè)備運(yùn)行和環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)并發(fā)送。通過在三個(gè)不同參考節(jié)點(diǎn)上分別安裝數(shù)字溫度、濕度和光敏傳感器，并定期發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器后，可在專門的計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件上對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。參考節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)測(cè)試效果如圖5所示。

通過對(duì)比監(jiān)控軟件上顯示的傳感器數(shù)據(jù)與實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)，可知實(shí)際誤差小于10%。測(cè)試結(jié)果表明，參考節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的正確傳輸。

5.2 系統(tǒng)定位效果測(cè)試

在東莞科學(xué)館展廳的10 m×15 m區(qū)域進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，參考節(jié)點(diǎn)間距為5 m，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以在參考節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動(dòng)，通過對(duì)不同位置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行20次測(cè)量，得到了圖6所示的測(cè)量結(jié)果。

由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)間距為5 m時(shí)，有效定位區(qū)域內(nèi)的多數(shù)位置點(diǎn)定位精度均能達(dá)到1 m以內(nèi)，基本滿足了場(chǎng)館人員的定位要求。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的場(chǎng)館無線定位智能管理系統(tǒng)通過組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合WiFi、藍(lán)牙等多種傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了在智能手機(jī)、管理終端上對(duì)人員的雙向定位和設(shè)備監(jiān)測(cè)。如果為智能手機(jī)內(nèi)置ZigBee模塊，把移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的功能整合到智能手機(jī)里，那么無需另外攜帶移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，就可直接通過智能手機(jī)連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)，利用智能手機(jī)自帶的操作系統(tǒng)和強(qiáng)大的處理能力，收集和傳送定位數(shù)據(jù)，運(yùn)行定位算法后，直接在智能手機(jī)上顯示定位位置，在加快系統(tǒng)效率的同時(shí)減少了網(wǎng)絡(luò)延遲。

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