基于室內(nèi)定位的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

張娟　陳春梅　路錦正　李強(qiáng)

摘要：高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建目前還處在探索階段。本文針對(duì)當(dāng)前復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，人們對(duì)定位的需求日益增大，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有專業(yè)特色和實(shí)踐意義的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)的硬件采用CC2430片上系統(tǒng)，定位算法是基于接收的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI，Received Signal Strength Indicator）。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的作用表現(xiàn)在：①提供直觀的演示功能，幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)概念；②提供了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)各功能層的作用；③提供了無線定位功能，有助于學(xué)生理解定位算法的原理。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；物聯(lián)網(wǎng)；無線傳感器

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）12-0251-02

在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的潮流下，各個(gè)高校相繼開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)課程，同時(shí)也開始設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。但是，現(xiàn)階段的高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還處于探索研究階段，甚至?xí)?jīng)歷更長時(shí)間的探索研究階段，如何構(gòu)建功能、技術(shù)完備的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有效地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研討，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)研究的發(fā)展，成為物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的關(guān)鍵。當(dāng)前，人們對(duì)復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的定位需求日益增大，比如在倉庫、超市、礦井等環(huán)境中，常常需要確定移動(dòng)物體及設(shè)備的具體位置，因此，研究并開發(fā)一套關(guān)于室內(nèi)定位的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)十分必要。本文設(shè)計(jì)的《基于室內(nèi)定位的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》受到了西南科技大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目的支撐。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)定位系統(tǒng)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和PC端后臺(tái)處理程序兩部分，其架構(gòu)如圖1。前端無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)、1個(gè)盲節(jié)點(diǎn)以及1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的組合方式。“參考結(jié)點(diǎn)”是一個(gè)安置在已知位置的靜態(tài)結(jié)點(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)位置信息未知，由定位系統(tǒng)確定其自身所在位置。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要作用是組建網(wǎng)絡(luò)和對(duì)數(shù)據(jù)流的處理。PC端后臺(tái)處理程序?qū)木W(wǎng)絡(luò)傳回的數(shù)據(jù)使用相應(yīng)算法進(jìn)行定位處理。

整個(gè)系統(tǒng)完成一次定位通訊的基本過程如下：①協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)按順序依次加入網(wǎng)絡(luò)，并分配相應(yīng)的短地址；②盲節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并根據(jù)短地址判斷，以確定需要給哪些參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包；③參考節(jié)點(diǎn)根據(jù)其所接收到的數(shù)據(jù)包解析出相應(yīng)的鏈路質(zhì)量信息包，并將接收到的值發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；④協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將所接收到的數(shù)據(jù)信息解碼并格式化后，以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式通過串口傳送到PC端；⑤PC端的后臺(tái)處理程序從串口讀取由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)傳回的信息，通過相應(yīng)的算法流程對(duì)信息進(jìn)行處理得到盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并通過圖形界面將盲節(jié)點(diǎn)的位置顯示出來。

二、節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)

1.參考節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。參考節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖2所示。參考節(jié)點(diǎn)會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)請(qǐng)求，根據(jù)回復(fù)的網(wǎng)絡(luò)地址與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，為了使參考節(jié)點(diǎn)省電，其每隔1s采集一次定位信息。參考節(jié)點(diǎn)主要參數(shù)有自己的坐標(biāo)（xi，yi）和與其相對(duì)應(yīng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的RSSI值。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的RSSI請(qǐng)求命令以后，會(huì)自動(dòng)收集數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量信息，然后打包發(fā)送給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)包包括本身參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置和RSSI值。

2.盲節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。參考節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖3所示。盲節(jié)點(diǎn)是基于CC2431芯片的節(jié)點(diǎn)，由于集成了定位引擎，可以很好的起到定位的目的。盲節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間發(fā)送收集RSSI值的命令給各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，在收集到大于等于3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以后，會(huì)根據(jù)相應(yīng)的算法計(jì)算出最優(yōu)的參考節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)過上位機(jī)的處理將坐標(biāo)點(diǎn)的位置進(jìn)行顯示。在整個(gè)定位中，盲節(jié)點(diǎn)需要的定位參數(shù)有A和N值，這兩個(gè)值可以通過預(yù)先設(shè)定或者通過上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，在不同的環(huán)境中，A和N值是不同的，所以在定位的時(shí)候一定要調(diào)整好不同的A、N值，以達(dá)到更準(zhǔn)確定位的目的。

3.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要作用是組建網(wǎng)絡(luò)和對(duì)數(shù)據(jù)流的處理。圖4為協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)流程圖，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)狀態(tài)通過串口傳送給上位機(jī)，然后等待參考節(jié)點(diǎn)或者盲節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，如果有其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)給它們分配一個(gè)十六位的網(wǎng)絡(luò)地址，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)過來以后，協(xié)調(diào)器會(huì)先分析數(shù)據(jù)流的命令，并打包成一種符合本設(shè)計(jì)協(xié)議的數(shù)據(jù)包，然后通過串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理。協(xié)調(diào)器在本設(shè)計(jì)中屬于中轉(zhuǎn)站的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

三、系統(tǒng)測(cè)試與分析

本設(shè)計(jì)做好以后，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量了三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)分別設(shè)定為（0，0），（10，0），（10，10），然后啟動(dòng)分別啟動(dòng)參考節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置他們的坐標(biāo)與之對(duì)應(yīng)，然后啟動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)，并將盲節(jié)點(diǎn)放置在（1，1），（3，3），（5，5），（7，7），（9，9）幾個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，并分別測(cè)定出他們的定位坐標(biāo)值，其測(cè)定的坐標(biāo)值分別為：（0.5，1），（2，3），（5，6），（7，6），（9，10）。在該測(cè)量中，數(shù)據(jù)會(huì)有一定的波動(dòng)，最終選擇最好的幾個(gè)數(shù)據(jù)求平均值。在該測(cè)量中，A值取45，N值取20。上位機(jī)和實(shí)物圖見圖5。

四、結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款基于CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以完成移動(dòng)目標(biāo)身份識(shí)別、移動(dòng)目標(biāo)位置確定以及RSSI定位參數(shù)優(yōu)化等實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)、能力的綜合素質(zhì)。

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