基于慣性導航與射頻識別的室內定位系統研制

陳可欣　王紅　朱瑞　莫富琪

摘 要 研制了一套室內定位系統，通過射頻識別（ RFID，Radio Frequency Identification） 讀卡器和慣性傳感器來獲取狀態信息，經由ARM處理器解算位置信息和跌倒信號，并將信號通過藍牙無線傳輸給外部設備。

關鍵詞 室內定位 慣性導航 RFID 跌倒檢測

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：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

隨著社會老齡化的加劇，老年人獨自在家時的安全問題越發得到社會的關注，而跌倒是我國65歲以上老年人因傷害而死亡的頭號殺手。研發一套實用的室內定位及跌倒報警系統迫在眉睫。

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

本文利用慣性導航的室內定位穩定性，輔以射頻識別技術，測得位置與狀態信息。

1 室內定位系統

本文選用ARM處理器和安卓手機的結合來實現系統功能，ARM 與安卓平臺的聯合使用為室內定位系統的研制提供了可行性與可靠性。圖1是整體硬件系統的設計思路。

在家中鋪設一定量的磁卡，且位置坐標已知，供讀卡器讀取，此時家中老人身上佩戴的裝置里有慣性傳感器以及RFID讀卡器會記錄信息，以實時解算與記錄老人的行走路徑。老人的行走軌跡與跌倒信號通過藍牙從老人身上佩戴的裝置傳輸至室內放置的安卓智能手機，室內的安卓智能手機判斷是否接收到摔倒信號，并繪制行走路線圖，若接收到了摔倒信號則向家人的手機撥打電話，完成跌倒警報。

整個硬件體系分為ARM 數據處理與手機數據處理兩個部分，其中ARM 數據處理部分包括傳感器與讀卡器數據的提取、定位算法與藍牙傳輸三項功能，手機數據處理則包含有藍牙接收、繪制行走路徑圖與摔倒報警等部分。

2 硬件設計

2.1 位置信息提取模塊

原始信息提取部分有兩個信號源，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MPU6050的6軸慣性導航模塊，集成了三軸MEMS 陀螺儀和三軸MEMS 加速度計，陀螺儀可測范圍為±2000°/s，加速度計可測范圍為±16g。

RFID俗稱電子標簽，主要由電子標簽、天線、讀寫器和主機組成，是一種利用射頻信號實現無接觸信息傳遞，以達到自動識別的技術。[2，3]本研究中讀取固定位置坐標所用的模塊是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處理器與安卓手機間的信息傳輸是通過藍牙模塊實現的，藍牙作為一種電纜替代技術，具有低成本、高速率的特點，是短距離、低成本無線通信技術之一。[4-6]本文中使用的是HC-06藍牙模塊，該模塊工作在2.4G無線頻段，遵循藍牙V2.0 + EDR藍牙規范，最高傳輸速率可達2.1m，傳輸距離超過20m。

3 定位算法

3.1 原始數據處理

傳感器剛通電時，模塊內部的MCU會在模塊靜止的時候進行自動校準（消除陀螺零漂），校準以后z軸（方向豎直向上）的角度會重新初始化為0，z軸角度輸出為0時，可視為自動校準完成的信號，但此時另外兩軸，即x和y軸的加速度不為零，經過長時間多次積分后會產生非常大的誤差，所以我們在正式采集數據之前，會先采集20組樣本數據，將它們相加取平均值，求得的數據作為傳感器的系統誤差。這20組樣本數據的采集時間非常短，傳感器串口的波特率為115200bit/s，傳感器每次傳回的一組數據里包含有三個數據包，分別為加速度、角速度和角度輸出值，每個數據包中有11個數據，分別為包頭、標識、x-y-z三軸數據的高低字節以及溫度和校驗和等數據，而每個字節有16bit，則可計算出20組數據大小為10560bit，故傳輸20組數據所需時間約為0.091667s，即只需在傳感器通電后的0.1秒之內即可完成這項誤差消除的工作。誤差消除之后開始的正式數據采集會將采集到的數據減去之前所求得的系統誤差，相減的結果即認為是真實的三軸加速度值。endprint

3.2 行進方向判定

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

慣性傳感器在返回加速度值的同時會返回姿態角數值，姿態角結算時所使用的坐標系為東北天坐標系，歐拉角表示姿態時的坐標系旋轉順序定義為z-y-x，即先繞z軸轉，再繞y軸轉，再繞x軸轉。為了統一三軸加速度和姿態角的坐標系，將傳感器返回的三軸加速度矢量的坐標系變換為東北天坐標系。

3.3 路程計算

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

（1）

其中，時間間隔（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據作為系統誤差時設置為零，那時傳感器剛通上電，置x軸和y軸加速度為零的同時可認為初始速度為零。

3.4 跌倒檢測

由于人體在跌倒過程中，特征量會發生變化，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行分析得出每個量的變化規律，找出一些能夠區分不同運動狀態的閾值。[7]

經過多次行走測試，通過測試結果得知正常行走所產生的加速度是在0.3g（約為2.9m/s2）以內的，若以本研究的目標人群，即老年人的緩步行走方式進行測試，則測試結果還會更小一點，約在0.2g（約為2.0m/s2）以內。又經過多次摔倒（自由落體）測試，通過測試結果得知摔倒時沿倒下方向上的加速度數值大約在7m/s2左右，故測試跌倒時數值應大于2.9m/s2，且小于7m/s2。考慮到跌倒時，下落方向不一定完全沿著傳感器的x-y-z三軸方向，所測數值會比實際偏小，所以取加速度大于5m/s2時判斷為摔倒。

已知在進行行走、坐臥、側躺等行為時，會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裝置不會發出摔倒警報，則摔倒判斷的條件需為某兩軸的加速度同時大于5m/s2。

當設備檢測到跌倒時，即通過藍牙模塊向手機發送特定字符，手機接收后向實現預存好的電話號碼撥打電話，以實現跌倒警報功能。

3.5 信息傳輸

實現嵌入式設備到安卓手機的數據傳輸利用的是藍牙功能，手機與藍牙串口模塊建立藍牙數據收發通道，使得手機APP可以獲取藍牙模塊的輸入輸出流，從而實現對嵌入式設備的無線控制和通信。

當嵌入式設備檢測情況正常時，通過藍牙向手機發送實時位置信息。當判斷出跌倒狀況時，則向手機發送特定字符。 在成功判斷摔倒的情況下，室內手機接收到特定字符，并自動撥打電話給指定的手機。

4 實驗與分析

4.1 實驗步驟

實驗設備有ARM處理器一臺，慣性傳感器一個，RFID讀卡器一個，RFID標簽卡若干張，藍牙一只，安卓手機兩臺。

實驗內容為一人將由ARM處理器、慣性傳感器、RFID讀卡器和藍牙等器件連接、組裝而成的嵌入式設備佩戴在腰間，此時裝置內已預先寫入定位程序。選擇一段走廊作為實驗場所，再將RFID標簽分布在預先規劃好的行進路線上。將按比例繪制的宿舍走廊圖導入安卓手機，佩戴裝置者模仿老年人緩步行走，記錄安卓手機上顯示的路徑圖。

4.2 實驗結果

通過實驗，得到如圖4所示結果。其中黑色線條為走廊輪廓，紅色線條為繪制的行走路徑，綠色線條為真實行走路徑。 （下轉第58頁）（上接第34頁）

圖4 安卓手機上繪制的路徑圖

觀察上述系統運行收集到的數據，可以發現在行走初期存在有很大的路徑偏差，現實中實驗者邊走邊向右側轉彎，而繪制出的路徑是直接指向出發點對面的墻壁，經過分析后得知這是因為我們所購置的慣性導航傳感器有時會發生無規律的數值跳變，這可能是因為傳感器與ARM板位置相近，有時會受到一定的電磁干擾，這種跳變導致最后繪制出的路徑朝傳感器某一坐標軸方向近乎直線地偏離，但在經過兩次RFID固定標簽的位置校正后，可看出路徑恢復正常，繪制的行走路徑與現實中的路徑基本重合。

5 總結

若僅使用慣性導航來實現室內定位，則易受干擾，定位誤差大，精確度低，輔以RFID進行定點校正位置坐標則可有效提高定位精確度，且定位精度與RFID標簽的數量與擺放密度有直接的關系。配合一定量的固定位置RFID標簽進行坐標校正，基于慣性導航的定位系統可基本滿足室內定位的需求。

參考文獻

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[2] 吳歡歡，周建平，許燕，李潤萍.RFID發展及其應用綜述[J].計算機應用與軟件，2013.30（12）：203-206.

[3] 趙斌，張紅雨.RFID技術的應用及發展[J].電子設計工程，2010.18（10）：123-126.

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[6] 張健，林海.基于嵌入式Linux的藍牙通信的實現[J].公安部沈陽消防研究所，2011.

[7] 秦防.基于傳感器的跌倒檢測系統的研究與實現[D].江南大學控制科學與工程學院，2015：22-24.endprint