高精度低功耗室內(nèi)外無縫定位的實(shí)驗(yàn)室物品追蹤管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹 佳， 嚴(yán)培輝， 劉江華， 張澄宇， 李小明

(1.武漢大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,武漢 430071；2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079)

0 引 言

隨著高校對生物、醫(yī)學(xué)的研究和教學(xué)越來越重視，生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的建設(shè)也成為了重點(diǎn)。對實(shí)驗(yàn)室中易燃易爆試劑、有毒試劑、易揮發(fā)性試劑以及重大儀器設(shè)備的追蹤成為了各高校亟需解決的問題。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室物品追蹤主要靠實(shí)驗(yàn)室管理人員手工記錄物品大致的存放位置，無法對其進(jìn)行室內(nèi)外精確定位。針對這一問題國內(nèi)外研究人員開發(fā)了相應(yīng)的物品跟蹤定位系統(tǒng)，如基于RFID追蹤識(shí)別技術(shù)的供應(yīng)室消毒物品追溯管理系統(tǒng)[1]，基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)院跟蹤定位系統(tǒng)[2]，基于WiFi指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)[3]等，但這些系統(tǒng)只解決了物品的室內(nèi)追蹤，一旦物品離開實(shí)驗(yàn)室就不知其去向。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙與GPS/北斗室內(nèi)外無縫定位追蹤管理系統(tǒng)[4-5]，該系統(tǒng)具有定位精度高，低功耗，高穩(wěn)定性，低成本等優(yōu)勢，解決了生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室物品在室內(nèi)外高精度定位追蹤管理的問題[6-7]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的物品追蹤管理系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)試劑數(shù)據(jù)庫、重大儀器數(shù)據(jù)庫、物品追蹤管理中心、用戶APP以及定位追蹤器組成。定位追蹤器與易燃易爆試劑、有毒試劑、易揮發(fā)性試劑和重大儀器設(shè)備等相連接。在室內(nèi)，定位追蹤器利用藍(lán)牙進(jìn)行定位；在室外，追蹤器利用GPS/北斗組合定位，將得到的定位信息發(fā)送到物品追蹤管理中心，物品追蹤管理中心對該信息進(jìn)行處理然后存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)用戶需要查看物品位置信息時(shí)，通過手機(jī)APP[8]鏈接到物品追蹤管理中心調(diào)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查看。

圖1 物品追蹤管理系統(tǒng)原理框圖

1.1 室內(nèi)定位追蹤設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對物品的室內(nèi)定位追蹤采用藍(lán)牙定位的方法，藍(lán)牙定位追蹤基本功能框圖如圖2所示，它由n個(gè)藍(lán)牙標(biāo)簽和定位追蹤器組成，利用n個(gè)藍(lán)牙標(biāo)簽構(gòu)建一個(gè)藍(lán)牙信號(hào)區(qū)域，當(dāng)定位追蹤器進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，接收藍(lán)牙標(biāo)簽發(fā)出的無線電信號(hào)，通過測量接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(RSSI)值[9-10]來計(jì)算定位追蹤器的位置。

圖2 藍(lán)牙定位追蹤基本功能框圖

藍(lán)牙室內(nèi)定位[11-12]過程由離線指紋庫的建立和在線定位兩個(gè)階段共同完成：離線階段，建立模糊指紋庫，該指紋庫較為全面地描述了定位區(qū)域內(nèi)RSSI值與空間位置的對應(yīng)關(guān)系，并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；在線階段，定位追蹤器進(jìn)入定位區(qū)域，搜尋附近的藍(lán)牙標(biāo)簽信號(hào)，將測量到的RSSI值返回給物品追蹤管理中心，最后將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中完成對定位追蹤器位置的確定。

1.2 室外定位追蹤設(shè)計(jì)

室外定位追蹤采用GPS/北斗組合的方法，該方法在定位精度上可達(dá)到亞米級。GPS/北斗定位追蹤基本功能框圖如圖3所示，首先GPS/北斗定位導(dǎo)航模塊接收到衛(wèi)星定位信號(hào)，利用基帶模塊對其進(jìn)行處理，得到當(dāng)前的位置信息，將該信息發(fā)送至處理器上利用無線收發(fā)設(shè)備將其發(fā)送到數(shù)據(jù)庫作存儲(chǔ)。當(dāng)管理人員需要查看物品在室外位置時(shí)，只需查看數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)即可。本系統(tǒng)采用的定位模塊是中科微電子的產(chǎn)品ATGM336H，該模塊具有定位精度高，體積小，功耗低，穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，適用于室外惡劣環(huán)境下高精度定位。

圖3 GPS/北斗定位追蹤基本功能框圖

1.3 藍(lán)牙標(biāo)簽設(shè)計(jì)

在室內(nèi)定位中，藍(lán)牙標(biāo)簽被用來當(dāng)作定位節(jié)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況布置在室內(nèi)，其原理框圖見圖4，由電源模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和天線及天線匹配模塊組成。藍(lán)牙標(biāo)簽工作在低功耗模式，有效距離為40 m，每秒發(fā)送5到10次藍(lán)牙數(shù)據(jù)包，定位追蹤器讀取數(shù)據(jù)包信息，根據(jù)接收到的標(biāo)簽?zāi)芰颗袛嗑嚯x，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

圖4 藍(lán)牙標(biāo)簽原理框圖

藍(lán)牙數(shù)據(jù)包格式說明如圖5所示，BLEID(16個(gè)字節(jié))表示將所有的藍(lán)牙標(biāo)簽與其他人的藍(lán)牙標(biāo)簽設(shè)備區(qū)別開的ID；GroupID表示將同一個(gè)房間內(nèi)藍(lán)牙標(biāo)簽標(biāo)識(shí)為一組，通過這種方式定位追蹤器就知道物品在哪個(gè)房間；IndividualID表示房間內(nèi)每個(gè)藍(lán)牙標(biāo)簽的特定編號(hào)，這樣定位追蹤器就知道物品在房間的哪個(gè)位置；TX power表示距離標(biāo)簽1 m測得的值，追蹤器接收到數(shù)據(jù)包后通過比較就能得到物品的位置信息。

圖5 藍(lán)牙標(biāo)簽數(shù)據(jù)包

1.4 定位追蹤器設(shè)計(jì)

定位追蹤器是本系統(tǒng)的核心，其原理框圖如圖6所示，主要由藍(lán)牙模塊、GPS/北斗模塊、MCU、加速度傳感器和GPRS模塊組成[13]。在該追蹤器中藍(lán)牙模塊用來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，GPS/北斗模塊用來實(shí)現(xiàn)室外定位，當(dāng)物品從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)被拿到室外時(shí)由于藍(lán)牙信號(hào)只覆蓋了室內(nèi)范圍無法對室外進(jìn)行定位，此時(shí)MCU控制器立馬啟動(dòng)GPS/北斗模塊實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確及時(shí)的室外定位[14]。加速度傳感器被用來檢測物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)追蹤器的低功耗，當(dāng)物品處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，加速度傳感器未產(chǎn)生位移信號(hào)，表明定位追蹤器在距離上一次發(fā)出位置信號(hào)之前，物品位置一直未發(fā)生改變，此時(shí)MCU發(fā)出關(guān)閉藍(lán)牙定位模塊、GPS/北斗模塊和GPRS模塊的命令，讓追蹤器處于最低功耗的休眠狀態(tài)；當(dāng)物品發(fā)生移動(dòng)時(shí)，加速度傳感器產(chǎn)生位移信號(hào)，MCU檢測到該信號(hào)后，立馬激活上次發(fā)出位置信號(hào)的模塊(藍(lán)牙或者GPS/北斗)，另一個(gè)定位模塊則關(guān)閉，等待MCU接收到定位信息后再啟動(dòng)GPRS模塊將該信息發(fā)送出去，這樣定位追蹤器就能最大限度的降低功耗。

圖6 定位追蹤器原理框圖

此類電路硬件控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制及管理，各部功能電路可采用模塊化電路實(shí)現(xiàn)，易于實(shí)現(xiàn)且方便快捷，控制各模塊化電路工作的單片機(jī)應(yīng)用軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件控制流程圖

單片機(jī)部分子程序如下所示：

#include 〈stdint.h〉

#include 〈stdio.h〉

#include 〈string.h〉

#include "cpu.h"

#include "gpio_mment.h"

#include "GC65_iot.h"

#include "rtc.h"

#include "timer.h"

#include "Spi_Drv.h"

#include "Debug.h"

#include "gpio_mment.h"

#include "gps_module.h"

#include "com_command.h"

#include "cimcitech_frame.h"

#include "intelpower.h"

#include "User_App.h"

#include "History_Data.h"

#include "low_power.h"

#include "adxl345.h"

#include "Gsm_App.h"

#include "sht10.h"

#include "CIMC_iTECH.h"

int main(void)

{

IAP_SetVectorTable();

NVIC_Configuration();

SysTick_Init();

RTC_Configuration();

SPI_allPara_config();

Gpio_Mment_Init();

gps_server_Init();

Debug_Init();

User_App_Init();

GC65_moduleuart_Init();

BLU_module_Init();

History_Data_Init();

ADXL345_Init();

#ifdef ENABLE_SYS_IWDG

IWDG_Configuration();

#endif

while(1)

{

prco_comcmd_task();

ProcGpsModuleTask();

ProcBluModuleTask();

Proc_LowPower_Task();

proc_cimc_frame_task();

Proc_UserApp_Task();

Proc_GsmApp_Task();

#ifdef ENABLE_SYS_IWDG

IWDG_ReloadCounter();

#endif

}

}

2 系統(tǒng)定位算法

通過大量實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)RSSI值并不穩(wěn)定，這使系統(tǒng)利用測量到的RSSI來實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位變得更加困難。為了降低實(shí)時(shí)信號(hào)的隨機(jī)波動(dòng)性,利用加權(quán)滑動(dòng)窗口對接收到的信號(hào)做平滑處理。但仍然無法消除因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境的突然變化所導(dǎo)致的RSSI極端跳動(dòng)，這種環(huán)境的變化主要是室內(nèi)溫度、人員的走動(dòng)以及運(yùn)行在相同頻率的其他設(shè)備，這些都會(huì)使某些地方的接收信號(hào)隨時(shí)間發(fā)生漂移。對于這種極端跳動(dòng)采用了卡爾曼濾波算法進(jìn)一步處理，在最后的定位階段再采用K近鄰算法[15]得到位置信息。

K-近鄰算法的基本步驟如下:① 訓(xùn)練樣本的產(chǎn)生。在樣本空間內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)目的合乎要求的訓(xùn)練樣本。每一個(gè)訓(xùn)練樣本對應(yīng)一個(gè)已知的目標(biāo)函數(shù)值。②k個(gè)近鄰的選取。分別對每個(gè)預(yù)測樣本選取其近鄰,即選取相似度程度高的k個(gè)樣本。k值的大小對預(yù)測結(jié)果也有著關(guān)鍵影響。③ 根據(jù)這k個(gè)近鄰判斷預(yù)測樣本的值或分類。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

基于上述理論分析，首先搭建相應(yīng)的系統(tǒng)硬件平臺(tái)來進(jìn)行實(shí)地的數(shù)據(jù)采集，建立離線階段的定位數(shù)據(jù)庫，然后對離線階段采集到的定位信號(hào)進(jìn)行濾波處理并進(jìn)行定位。

選取某實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)場地，實(shí)驗(yàn)室長10 m，寬6 m，將4個(gè)藍(lán)牙標(biāo)簽放置在室內(nèi)的4個(gè)角落，如圖8所示B1、B2、B3、B44個(gè)標(biāo)簽，放置高度為1.5 m，然后對室內(nèi)不同位置的坐標(biāo)點(diǎn)采樣，如圖中圓圈所示，其中每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的采樣間隔為1 s，采樣點(diǎn)數(shù)為500，對采樣到的數(shù)據(jù)作平滑處理建立離線位置指紋數(shù)據(jù)庫。

圖8 藍(lán)牙標(biāo)簽室內(nèi)拓?fù)鋱D

在系統(tǒng)測試過程中選取了一瓶易揮發(fā)性試劑作為追蹤定位目標(biāo)，在線實(shí)時(shí)采集其位置處的RSSI值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波處理再采用3階近鄰法進(jìn)行定位，得到測試結(jié)果如圖9所示，60 s內(nèi)對物品進(jìn)行室內(nèi)外各20次定位測量得到的結(jié)果是室內(nèi)定位最大誤差為1.3 m，室外定位最大誤差為3.5 m，證明該系統(tǒng)滿足對實(shí)驗(yàn)室物品進(jìn)行室內(nèi)外高精度定位，圖10和圖11分別為藍(lán)牙標(biāo)簽實(shí)物模塊和定位追蹤器實(shí)物模塊。

圖9 系統(tǒng)定位誤差

圖10 藍(lán)牙標(biāo)簽實(shí)物模塊

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙與GPS/北斗室內(nèi)外無縫定位追蹤管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有定位精度高，低功耗，高穩(wěn)定性，低成本等優(yōu)勢，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)類實(shí)驗(yàn)室中易燃易爆試劑、有毒試劑、易揮發(fā)性試劑以及重大儀器設(shè)備的追蹤和管理中，提高管理效率，保證生物醫(yī)學(xué)類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)物品的安全和教學(xué)科研工作順利進(jìn)行。

圖11 定位追蹤器實(shí)物模塊