基于ZigBee的盲人室內(nèi)定位導(dǎo)航及遠程監(jiān)控系統(tǒng)

余 凱，趙 峰

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 計算機與信息安全學(xué)院，廣西 桂林 541004)

基于ZigBee的盲人室內(nèi)定位導(dǎo)航及遠程監(jiān)控系統(tǒng)

余 凱1，趙 峰2

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 計算機與信息安全學(xué)院，廣西 桂林 541004)

針對盲人行動不便和行動范圍受限的問題，設(shè)計一種基于ZigBee的盲人室內(nèi)定位導(dǎo)航及遠程監(jiān)控系統(tǒng)。利用超聲波技術(shù)、熱釋電紅外技術(shù)和語音合成技術(shù)，設(shè)計出便攜裝置；通過研究質(zhì)心定位算法，設(shè)計出RBIWCL算法；利用GSM/GPRS技術(shù)，設(shè)計出與智能終端進行遠程通信的方法。結(jié)果表明，便攜裝置能有效檢測障礙物并及時提醒盲人，RBIWCL算法提高了定位精度，遠程智能終端能實時準確地監(jiān)控盲人的位置和行動軌跡。

障礙物檢測；ZigBee；RBIWCL算法；GSM/GPRS

中國是世界上盲人最多的國家，且每年新增約45萬人[1]。由于生理上的缺陷，盲人無法通過視覺直觀地獲取外界信息，使得他們在學(xué)習(xí)、生活和工作等方面有著諸多不便，行動能力和行動范圍受限，且行動安全無保障。現(xiàn)實生活中，大多數(shù)盲人使用普通的盲杖來輔助行走，缺點是只能探測局部障礙物，目的位置和可行路徑信息需要事先記憶，耗費體力和腦力。少數(shù)盲人使用導(dǎo)盲犬引導(dǎo)行動，缺點是訓(xùn)練周期和適應(yīng)期長、成本高，易受外界干擾且交流困難，無法廣泛使用。為了解決這些問題，開始出現(xiàn)了智能電子導(dǎo)盲技術(shù)的研究。使用智能電子導(dǎo)盲系統(tǒng)，盲人可以實時獲取行進方向障礙物信息、目的地位置信息和可行路徑信息，還可進行人機交互，減少盲人行動負擔(dān)，提高盲人行動的自主性和準確性。

在獲取障礙物信息方面，現(xiàn)有的激光、雷達、微波等技術(shù)雖然測量精度較高，但價格昂貴、實現(xiàn)復(fù)雜，不適合應(yīng)用于低成本場合，而超聲波測障裝置開發(fā)成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單且使用靈活。早期的超聲波測障裝置設(shè)計成手仗形式[2]，需要握持，不夠人性化，改進為穿戴式則更方便[3]。鑒于此，將導(dǎo)盲設(shè)備設(shè)計成穿戴式，并使用超聲波技術(shù)和熱釋電紅外技術(shù)相結(jié)合的障礙物檢測方法，滿足盲人行動測障場合的需求。在定位和導(dǎo)航方面，現(xiàn)有的系統(tǒng)多使用GPS技術(shù)，但GPS設(shè)備價格昂貴、特定區(qū)域信號差和室內(nèi)無法接收信號。本設(shè)計的應(yīng)用場合相對封閉和獨立，可以使用近距離無線通信技術(shù)，而近距離無線通信技術(shù)中最常用的ZigBee技術(shù)具有通信距離遠、成本低、功耗低、節(jié)點容量高和網(wǎng)絡(luò)自組織等優(yōu)點，因此本系統(tǒng)選用ZigBee技術(shù)進行定位導(dǎo)航。在遠程監(jiān)控方面，使用最為普及的GSM/GPRS技術(shù)，通過智能終端實時監(jiān)控盲人位置和行動軌跡。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由便攜裝置、ZigBee自組網(wǎng)和智能終端3個部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中便攜裝置包括ZigBee模塊、測障模塊、GSM/GPRS模塊和語音模塊。ZigBee模塊的CC2530作為便攜裝置的主控制器，控制測障模塊實現(xiàn)障礙物檢測；控制語音模塊實現(xiàn)障礙物及路徑指引提示；控制GSM/GPRS模塊實現(xiàn)與智能終端通信。ZigBee自組網(wǎng)由多個ZigBee模塊組成，按照一定的規(guī)律和現(xiàn)場需要分散布局在大型室內(nèi)場所形成自組織網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)盲人進入該大型室內(nèi)場所時，自動加入該網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)定位和導(dǎo)航。智能終端可采用電腦、平板和手機等智能電子設(shè)備。以手機為例，開發(fā)一款A(yù)PP，下載該大型室內(nèi)場所的地圖后，實時將收到的短信信息轉(zhuǎn)換為坐標位置信息并標記在該地圖上，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of system

2 便攜裝置

便攜裝置由盲人佩戴于胸前，安裝3組超聲波收發(fā)模塊，各模塊間成一定角度，用以檢測前方2 m內(nèi)障礙物；熱釋人體紅外模塊用以檢測前方行人；語音模塊使用語音合成(text to speech，簡稱TTS)技術(shù)，將障礙物、目標位置和可行路徑信息通過語音方式輸出提示盲人；GSM/GPRS模塊用于遠程通信。便攜裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 便攜裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of portable device

2.1 測障方法

超聲波測障具體過程為：CC2530產(chǎn)生40 kHz方波信號，經(jīng)發(fā)射驅(qū)動模塊放大，激勵超聲波發(fā)射探頭產(chǎn)生40 kHz正弦超聲波信號向空間發(fā)射，開啟超時定時器和超聲波信號收發(fā)時間計數(shù)器；若超聲波信號在2 m范圍內(nèi)未遇到障礙物，超時定時器超時，則判定前方無障礙物；若超聲波信號在2 m范圍內(nèi)遇到障礙物，則接收探頭將接收到反射回來的超聲波信號，并激勵超聲波接收探頭產(chǎn)生40 kHz方波信號，經(jīng)超聲波接收檢測模塊輸出脈沖信號至CC2530，停止超時定時器和超聲波信號收發(fā)時間計數(shù)器，計算超聲波信號收發(fā)時間；再通過測溫模塊實時采集環(huán)境溫度值，最后計算障礙物距離：

(1)

其中：S為障礙物距離；V0為環(huán)境溫度為0 ℃時超聲波在空中的傳播速度，經(jīng)驗值為332 m/s；k為溫度系數(shù)，經(jīng)驗值為0.607 m/(s·℃)；T為環(huán)境溫度；t為超聲波信號收發(fā)時間。

2.2 語音提示

TTS模塊采用中文TTS芯片SYN6658，通過串口與CC2530連接。CC2530根據(jù)表1所示的命令幀格式，將待發(fā)送文本信息封裝成幀發(fā)送給SYN6658，SYN6658收到后將文本信息轉(zhuǎn)換成語音信號，接耳機或音頻功率放大器PAM8303后驅(qū)動喇叭，輸出語音以提示盲人。SYN6658支持GB2312、GBK、BIG5和Unicode四種文本編碼格式，支持男音、女音、童音和效果音4種音效選擇，支持10級音量、語速和語調(diào)調(diào)節(jié)，支持77首提示音、14首和弦音樂和自定義提示音選擇。SYN6658內(nèi)置字庫，無需錄音自動合成語音，使用方便，音質(zhì)優(yōu)美。

表1 SYN6658命令幀格式

當(dāng)測障模塊檢測到障礙物時，語音模塊提示盲人障礙物距離；當(dāng)熱釋電紅外模塊接收到信號時，語音模塊提示前方行人距離；當(dāng)盲人進入布設(shè)有ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)場所時，語音模塊提示目的位置及路徑導(dǎo)航信息，盲人根據(jù)語音提示作出行動決策。

2.3 遠程通信

GSM/GPRS模塊采用SIM900A，通過串口與CC2530連接。CC2530定時或收到監(jiān)護人命令請求時，通過AT命令控制GSM/GPRS模塊將包含特殊的短信識別碼、室內(nèi)地圖名稱和自身坐標信息的短信發(fā)送給監(jiān)護人。SIM900A支持存入多個監(jiān)護人手機號到電話簿，將接收到的命令短信手機號與電話簿對比驗證監(jiān)護人身份，驗證通過才會發(fā)送自身ID和自身位置信息，以免信息泄露。

3 ZigBee自組網(wǎng)

ZigBee模塊采用TI公司的CC2530芯片，在Z-stack協(xié)議棧基礎(chǔ)上進行算法的軟件開發(fā)，實現(xiàn)盲人自身位置定位與目標位置導(dǎo)航。首先在大型室內(nèi)場所布局大量ZigBee節(jié)點，考慮到成本及實際效果，采用任意相鄰的3個參考節(jié)點形成等邊三角形的方式布局，三角形邊長為a，且必須使節(jié)點無線覆蓋范圍大于a，a的取值需要綜合考慮成本、定位精度和環(huán)境對信號衰減程度等因素，通常可取值10～50 m。

無線定位算法一般分為與距離無關(guān)的定位算法和基于距離的定位算法[4]。與距離無關(guān)的定位算法利用無線節(jié)點間的連通性、相對位置關(guān)系或特定的協(xié)議估計距離來計算盲節(jié)點位置。基于距離的定位算法通過測量盲節(jié)點與相鄰參考節(jié)點間的實際距離或方位信息，使用三邊測量法、三角測量法和極大似然估計法來計算盲節(jié)點位置。測量節(jié)點距離和方位的方法有到達時間法、到達時間差法、到達角度法和接收信號強度指示(received signal strength indication，簡稱RSSI)法等[5]，但前3種方法對硬件要求高，因此在低成本場合常用RSSI法。

3.1 與距離無關(guān)的質(zhì)心定位算法

與距離無關(guān)的質(zhì)心定位(range-free centroid localization，簡稱RFCL)算法是僅基于連接性的，不考慮參考節(jié)點與盲節(jié)點間的距離信息[6]。若盲節(jié)點接收到3個參考節(jié)點的信息，則以其組成的三角形的質(zhì)心坐標作為盲節(jié)點的估計坐標[7]。盲節(jié)點估計坐標可表示為：

(2)

RFCL算法原理如圖3所示。

圖3 RFCL算法原理Fig.3 Theory of RFCL algorithm

RFCL算法誤差較大，不能滿足本場景的要求。為了提高定位精度，本系統(tǒng)采用基于距離的定位算法進行盲人位置定位。

3.2 根據(jù)RSSI值計算距離值

基于距離的定位算法需要先將接收RSSI值轉(zhuǎn)化為距離值。高頻無線電磁波在室內(nèi)傳播時，受到建筑物墻體、家具等障礙物的影響，造成信號的反射、散射和衰減。傳播模型可表示為：

PR(d)=PT+GT+GR-PL(d)。

(3)

其中：PR(d)為與發(fā)射端距離為d時的接收功率，即RSSI值；PT為發(fā)射功率；GT為發(fā)射端天線增益；GR為接收端天線增益；PL(d)為發(fā)射信號經(jīng)過距離d后的路徑損耗。

常用的傳播路徑損耗模型有自由空間傳播模型、對數(shù)距離路徑損耗模型、對數(shù)常態(tài)分布模型等。本系統(tǒng)環(huán)境為大型室內(nèi)場所，考慮到相同的收發(fā)端距離情況下，不同位置環(huán)境差異的損耗隨機效應(yīng)，選用對數(shù)距離路徑損耗模型[8]。可表示為：

(4)

其中：d為發(fā)射端與接收端之間的距離；PL(d0)為自由空間發(fā)射信號經(jīng)過距離d0后的路徑損耗；d0為單位距離，經(jīng)驗取值為1 m；n為電磁波信號衰減因子，表示路徑損耗隨距離增加而增大的快慢程度，與環(huán)境有關(guān)，經(jīng)驗取值為2～5；X0為背景噪聲，滿足均值為μ、標準差為σ的高斯正態(tài)隨機分布，μ的經(jīng)驗值為0，σ的經(jīng)驗取值為2～3，σ越大表示模型的不確定性越大。

電磁波自由空間路徑損耗模型可表示為：

(5)

其中：f為電磁波頻率；c為光速。將式(5)變換為對數(shù)形式：

(6)

聯(lián)合式(3)、(4)、(6)，令d0=1 m，c=3×108m/s，f=2.4 GHz，GT=GR=0 dB，則可得發(fā)射功率、距離和接收功率的關(guān)系式：

PR(d)=PT-40.046-10nlgd+X0。

(7)

其中衰減因子n和背景噪聲X0可根據(jù)仿真或?qū)嶋H測量結(jié)果確定。在確定發(fā)射功率后，即可由式(7)根據(jù)接收信號強度計算收發(fā)端距離。

3.3 基于距離的質(zhì)心定位算法

(8)

(9)

(10)

圖4 基于距離的質(zhì)心定位算法Fig.4 Range-based centroid localization algorithm

由于RSSI值受噪聲影響，根據(jù)RSSI值計算的參考節(jié)點與盲節(jié)點間的距離大于其真實距離[9]，因此聯(lián)立式(8)、(9)可得交點A、A′的坐標，分別計算A、A′到參考節(jié)點O3的距離。由于盲節(jié)點必然處于三角形內(nèi)部，距離小的則為三角形O1O2O3內(nèi)的點A(xA,yA)。同理分別聯(lián)立式(9)、(10)和式(8)、(10)可得點B(xB,yB)和C(xC,yC)。

3.3.1 基于距離的無加權(quán)質(zhì)心定位算法

基于距離的無加權(quán)質(zhì)心定位(range-based non-weighted centroid localization，簡稱RBNWCL)算法是以三角形ABC的頂點為參考計算其質(zhì)心作為盲節(jié)點的估計位置，則盲節(jié)點坐標為：

(11)

3.3.2 基于距離的加權(quán)質(zhì)心定位算法

基于距離的加權(quán)質(zhì)心定位(range-based weighted centroid localization，簡稱RBWCL)算法的加權(quán)因子為1/(di+dj)，體現(xiàn)了參考節(jié)點坐標對盲節(jié)點坐標的決定性作用隨距離減小而增大的特點，可以提高定位精度[4]。盲節(jié)點坐標為：

(12)

3.3.3 基于距離的改進加權(quán)質(zhì)心定位算法

(13)

其中k為加權(quán)因子調(diào)節(jié)指數(shù)，通過仿真可取值1～10。

3.4 算法仿真與分析

設(shè)參考節(jié)點等邊三角形邊長a=20 m，電磁波信號衰減因子n=3，高斯隨機背景噪聲的均值μ=0、標準差σ=2，根據(jù)式(13)計算基于距離的改進加權(quán)質(zhì)心定位算法循環(huán)1000次的平均誤差隨k的變化值。仿真結(jié)果如圖5所示，加權(quán)因子調(diào)節(jié)指數(shù)k=2時，RBIWCL算法的平均誤差eI最小。

圖5 RBIWCL算法的eI隨k的變化Fig.5 eI of RBIWCL algorithm with the change of k

設(shè)參考節(jié)點等邊三角形邊長a=20 m，電磁信號衰減因子n=3，高斯隨機背景噪聲的均值μ=0、標準差σ=2，加權(quán)因子調(diào)節(jié)指數(shù)k=2，根據(jù)公式(2)、(11)、(12)和(13)分別計算4種定位算法循環(huán)500次的盲節(jié)點估計位置坐標和平均誤差。仿真結(jié)果如圖6～10所示。從圖6～10可見：RFCL算法的平均誤差eF最大，且總平均誤差為5.299 1 m；RBNWCL算法的平均誤差eN有明顯減小，且總平均誤差為0.827 2 m，比RFCL算法降低84.39%；RBWCL算法的平均誤差eW更小，且總平均誤差為0.776 4 m，比RFCL算法降低85.35%；RBIWCL算法的平均誤差eI進一步減小，總平均誤差為0.707 6 m，比RFCL算法降低86.65%。因此RBIWCL算法的平均誤差最小、定位精度最高。

設(shè)電磁信號衰減因子n=3，高斯隨機背景噪聲的均值μ=0、標準差σ=2，加權(quán)因子調(diào)節(jié)指數(shù)k=2，根據(jù)式(13)計算RBIWCL算法循環(huán)500次的平均誤差eI隨a的變化值。仿真結(jié)果如圖11所示。從圖11可見，參考節(jié)點等邊三角形邊長a≤43 m時，eI小于2 m，a≤22 m時，eI小于1 m，可根據(jù)實際需求選擇合適的a值。

圖6 4種算法的盲節(jié)點坐標Fig.6 Blind node coordinates of 4 algorithms

圖7 RFCL算法的盲節(jié)點平均誤差Fig.7 Blind node average error of RFCL algorithm

圖8 RBNWCL算法的盲節(jié)點平均誤差Fig.8 Blind node average error of RBNWCL algorithm

圖9 RBWCL算法的盲節(jié)點平均誤差Fig.9 Blind node average error of RBWCL algorithm

圖10 RBIWCL算法的盲節(jié)點平均誤差Fig.10 Blind node average error of RBIWCL algorithm

圖11 RBIWCL算法的eI隨a的變化Fig.11 eI of RBIWCL algorithm with the change of a

3.5 目標位置導(dǎo)航

盲節(jié)點在獲得自身位置后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)會向其推送消息，例如在機場時推送可供選擇服務(wù)臺、安檢口、餐廳和洗手間等目標位置，如盲人通過便攜裝置上的按鍵選擇洗手間后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)選出帶有洗手間屬性的參考節(jié)點，根據(jù)它們與盲節(jié)點相對位置選出最近的洗手間，并計算最短可行路徑，然后通過語音提示洗手間的方位、距離和實時行動指引，最終到達洗手間。

4 智能終端

為了可以實時監(jiān)控盲人當(dāng)前位置，需要通過遠程方法進行定位。鑒于當(dāng)前電腦、平板和手機等智能終端相當(dāng)普及，可開發(fā)一套軟件，如手機APP，實現(xiàn)盲人遠程監(jiān)控功能。具體工作流程如下：便攜裝置通過GSM/GPRS模塊定時接收監(jiān)護人命令后以短信方式向監(jiān)護人手機發(fā)送信息，信息內(nèi)容包括特殊的短信識別碼、室內(nèi)地圖名稱和自身坐標信息；監(jiān)護人打開APP后，APP根據(jù)特殊的短信識別碼自動加載接收到的信息；然后根據(jù)室內(nèi)地圖名稱，加載已有的地圖或提示下載地圖，地圖上詳細標有參考節(jié)點位置、可選目標位置和固定障礙物等信息；最后自動將盲人位置信息標注在室內(nèi)地圖上，并形成行動軌跡。

5 結(jié)束語

針對盲人行動不便和行動范圍受限的問題，設(shè)計了一套室內(nèi)定位導(dǎo)航及遠程監(jiān)控系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，RBIWCL算法與RFCL算法相比，定位誤差大大減小；與RBNWCL算法和RBWCL算法相比，定位精度也有所提高。該算法實現(xiàn)簡單、定位速度快、定位精度高。通過檢測現(xiàn)場無線信道參數(shù)，設(shè)置最佳的加權(quán)因子調(diào)節(jié)指數(shù)k和節(jié)點三角形邊長a，可以進一步提高定位精度。

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編輯：張所濱

A blind indoor location, navigation and remote monitoring system based on ZigBee

YU Kai1, ZHAO Feng2

(1.School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China；2.School of Computer Science and Information Security, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

For the problem of walking inconvenience and limited walking range, a blind indoor location, navigation and remote monitoring system is designed based on ZigBee. A portable device is designed by ultrasonic technology, passive infrared technology and text to speech technology. Range-based improved weighted centroid localization (RBIWCL) algorithm is designed by studying the centroid localization algorithm. The method of communicating with the remote intelligent terminal is designed by GSM/GPRS technology. The results show that the portable device can detect an obstacle effectively and remind the blind timely. RBIWCL algorithm improves the locating accuracy. The remote intelligent terminal can accurately monitor the position and action track of the blind in real time.

obstacle detection; ZigBee; RBIWCL algorithm; GSM/GPRS

2016-01-08

國家自然科學(xué)基金(61471135)

趙峰(1974-)，男，山東日照人，研究員，博士，研究方向為無線通信理論及信息處理技術(shù)。E-mail:zhaofeng@guet.edu.cn

余凱,趙峰.基于ZigBee的盲人室內(nèi)定位導(dǎo)航及遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報，2016,36(6):431-436.

TN99

A

1673-808X(2016)06-0431-06