无线室内定位系统研究（精选8篇）
无线室内定位系统研究 篇1
引言:目前, 社会正处于信息时代, 智能化与信息化是时代最为显著的特点, 为了满足人们的无线定位需求, 无线定位系统随之出现, 该系统结合了各种技术, 主要有信息采集处理、网络通讯技术、嵌入式软硬件与无线数据传输等。随着各项技术的发展, Zig Bee无线传感器网络满足了人们的室内定位需求, 它具有诸多的优点, 如:可靠性、准确性、灵活性与高效性等。
一、Zig Bee无线传感器网络的概况
1.1 Zig Bee定位系统的设计
Zig Bee无线传感器网络定位系统是由两部分组成的, 分别为Zig Bee无线网络定位系统与CAN总线数据传输系统。两个系统均具有先进性, 其网络结构结合了有线与无线, 有线部分主要承担着传输数据的任务, 无线部分主要承担着采集数据的任务。无线传感器网络其设备的安装十分便捷, 此时的定位系统布线具有广泛性与全面性, 同时此系统具有可靠性、稳定性与灵活性的特点。Zig Bee无线传感器网络的设计要求如下:1、功耗低。在设计时, 首先要解决的问题便是无线传感器网络节点的功耗问题, 该网络的节点具有众多的数量, 同时其分布也具有广泛性, 在此基础上, 供电设备的更换具有较高的难度, 此时对节点功耗有着严格的要求, 不仅要保持较低的功耗, 还要保持较长的供电时间。2、成本低。无线传感器网络节点设计的优劣是有其成本进行衡量的, 虽然其节点的布置工作量较大, 但仍要注重对其成本的控制, 唯有保证成本的最低值, 才能够实现节点的广泛运用。此时, 无线传感器节点的设计要具有简洁性。3、微型化。网络设备节点要保证其体积的最小化, 在不影响目标系统特性的基础上, 对软件程序进行设计, 此时的模块要具备简洁性与精准性, 避免冗余代码的出现;同时软件代码要保持独特性与针对性, 不同的系统配有相应的代码。4、稳定性。网络节点的稳定性主要是对硬件的要求, 即便外部环境发生变化, 其硬件也要保持稳定的工作, 具体的模块包括微处理器、无线通信、电源模块与传感器模块[1]。
1.2 Zig Bee协议栈的概述
1、技术特点。具体内容如下:低速率、低功耗、安全性、可靠性、灵活性与自愈性, 同时其成本较低、容量较大。2、节点与通讯。Zig Bee网络节点主要有三类, 分别为协调器、参考节点与定位节点, 第一个节点在整个系统中扮演着重要的角色, 其芯片为CC2430芯片。Zig Bee通讯方式主要有单点传送, 它属于标准寻址传送模式, 还包括间接传统与广播传送等。3、协议栈结构。协议栈结构具有七层, 其中较为重要的为物理层、访问控制层、网络层与应用层。应用层还包括安全与鉴权、数据汇聚与设备发现等。
二、Zig Bee无线定位系统设计
1、芯片的选择。
在纳米技术的支持下, 芯片得到了快速的发展, 其产量在逐年增多。同时, 其生产的成本也在逐渐降低, 芯片的集成度也在进一步提高, 芯片具有了更多的功能, 其供电的管理也具有了集中性, 在此基础上, 系统的功耗得到了降低。Zig Bee无线定位系统的低功耗特点对其发展有着积极的意义。Zig Bee芯片的种类较多, 因此, 对于Zig Bee无线定位系统而言, 要选择低成本、低功耗、微型化与简洁性的芯片, 如:CC2430与CC2431芯片[2]。
2、芯片的功能。
CC2430芯片属于参考节点芯片, 其优点如下:低功耗、高集成、抗干扰、强灵敏, 其功能主要有DMA功能, 硬件支持功能、数字化支持功能与集成安全协处理器, 同时还具备电池监测功能。CC2431芯片属于定位节点芯片, 它具有低功耗的特点, 满足了Zig Bee无线传感器网络的实际需求, 因此, 具有较强的适用性;同时该芯片的定位具有较高的准确性, 其成本也相对较低, 因此, 在市场上具有较强的竞争力。
3、硬件电路设计。
Zig Bee无线网络对网络节点有较高的要求, 如:低功耗与低成本, 因此, 对芯片的选择为CC2430, 该芯片具有较高的集成度, 同时构建过程中对外围元器件的需求量较少, 进而成本得到了控制。
4、软件程序设计。
Zig Bee无线传感器网络定位系统要硬件平台设计的背景下, 对软件平台展开了设计, 主要的软件程序分为参考节点与定位节点, 此时的节点具有无线定位的功能。在软件系统中选用了C语言进行的编写。
参考节点的设计功能有定位网络、收发数据、收集定位节点信号强度、保存网络ID与坐标信息等。定位节点的设计功能有定位网络、收发数据、控制参考节点的信号强度、保存与发送网络ID与坐标信息[3]。
总结:综上所述, 无线定位技术在不断发展, 促进了Zig Bee无线传感器网络的完善, 该网络具有一系列的优点, 如:低成本、低功耗与便捷性、灵活性等, 为了满足人们的定位需求, 本文研究了基于Zig Bee无线传感器网络的室内定位系统研究与设计, 分别介绍了Zig Bee无线传感器网络与Zig Bee定位系统设计, 相信, 随着研究的日益深入, 该系统的功能将更加完善, 其性能也将得到相应的提高。
参考文献
[1]马伟.基于无线传感器网络的室内定位系统节点的设计与实现[D].电子科技大学, 2013.
[2]刘小康.ZigBee无线网络室内双向定位系统的研究[D].南昌大学, 2013.
[3]章颢.基于Zigbee无线传感器网络的室内环境监测系统设计[D].湖南大学, 2013.
无线室内定位系统研究 篇2
一 建设110无线报警定位调度系统的重要意义
据深圳博宇科技的了解，国内大多数公安机关的110系统为“有线”模式，这给治安巡警的报警和定位导航、巡警车的定位导航、指挥中心根据警情实时指挥调度警务车和距离事发地最近的巡逻民警处警都带来了不便和困难。
公安机关有必要建设充分利用GPS(全球卫星定位系统)、GIS(地理信息系统)、现代无线通信技术和呼叫中心技术的能快速反应的110无线报警定位调度系统。
本110无线报警定位调度系统的主要业务功能包括：
警务车和巡逻民警实时定位；
巡逻民警，报警信息通过GSM网络传送到110指挥调度中心；
电子地图能实时显示警务车和巡逻民警位置和状态，同时能提供该移动目标的档案资料，以及有关的警力分布情况；
支持大屏幕投影仪；
自动同步录音报警信息和回放报警巡警轨迹；
接警座席数字接警、自动去除误报、自动获取主叫巡警的相关资料；
综合统计报表，后台进行案情记录，自动生成接警报表；
支持局领导通过因特网/局域网进行报警情况以及警务车和巡逻民警位置的查询。
二 呼叫中心与GPS（全球卫星定位系统）简介
2.1呼叫中心简介
在商场如战场的今天，各商家竞争的战火已由商品质量向服务质量的战场蔓延，“得服务者得天下”已为越来越多的商场战略家所领悟。各商家已将增强自已在商场中的竞争力与提高自已的服务质量密切地捆绑在一起。
呼叫中心作为一种能充分利用现代通信手段和计算机技术的全新现代化服务方式，已引起越来越多人的关注。随着全球范围内商业竞争的日趋激烈，企业更是将呼叫中心视为在竞争中出奇制胜的法宝。
近年来，呼叫中心在世界各地都呈现出高速发展的局面，全球每年由呼叫中心促成的销售额高达6500亿美元。目前，呼叫中心在证券、电信、银行、公安、保险、税务等领域获得了极其广泛的应用。专家预测，在二十一世纪，呼叫中心将迅速发展成为全球商业竞争的焦点。
呼叫中心(Call Center)起源于30年前的民航业，其最初目的是为了能更方便地向乘客提供咨询服务和有效地处理乘客投诉。
呼叫中心的发展经历了以下几个阶段： 〃第一代呼叫中心：简单的人工热线电话；
〃第二代呼叫中心：交互式自动语音应答系统(IVR)； 〃第三代呼叫中心：基于CTI技术的呼叫中心
采用CTI(Computer Telecommunication Integration，计算机电信集成)技术实现语音和数据同步的兼有自动语音服务和人工服务的客户服务系统。随着计算机网络技术的不断发展，特别是近年来计算机电信集成技术的发展，以CTI技术为核心，集语音技术、呼叫处理、计算机网络和数据库技术于一体的呼叫中心系统得到了广泛应用。这一代呼叫中心主要以电话、传真用户为服务对象。随着Internet技术的不断发展和网络的日益普及，为人们提供了更多更好的现代化通信和信息处理手段，以电话用户为服务对象的呼叫中心已经不能满足市场的需求，人们迫切需要一种能够与技术发展保持同步的呼叫中心。
〃第四代呼叫中心：多媒体呼叫中心
采用多媒体技术，支持用户以电话、传真、手机短信息、电子邮件、WEB、双向寻呼、VOIP等各种方式接入的多媒体呼叫中心。2000年初，业界正式提出了多媒体呼叫中心的概念，呼叫中心从此进入除了提供传统电话、传真等服务方式外，还支持电子邮件、信函、WEB、短消息、双向寻呼、VOIP、视频等多种接入方式，同时提供对应的多媒体服务手段。
呼叫中心在硬件实现方案上有两种方式：
〃基于前置交换的程控交换机的呼叫中心(简称交换机方案)
这种方案的核心思想是在专用交换机+ACD(Auto Calling Distribution，自动话务分配)的基础上扩展路由和统计的功能,开放CTI-Link接口,用CTI技术实现通信和计算机的功能结合,再配以必要的语音和数据库系统,从而以强大的通信和计算机功能满足呼叫中心的要求。
这种方案可以在结构上清晰地区分开计算机系统和通信系统, CTI服务器是协调控制二者的连接设备,保证坐席和IVR(Interactive Voice Response,交互语音应答系统)可以充分利用数据资源和呼叫处理资源。
这种方案比较适合于大型呼叫中心。
〃基于后置交换的工控机＋语音板卡的呼叫中心(简称语音板卡方案)
这种方案以近几年发展迅速的微机语音处理技术为基础,其基本思想是在微机平台上集成各种功能的语音处理卡,完成通信接口、语音处理、传真处理、坐席转接等功能,再结合外部的计算机网络实现呼叫中心系统的需求。
这种方案比较适合于中小型呼叫中心。其主要技术组成如下:
1.Client/Server结构的微机网络技术 在这种系统中, 呼叫处理和语音处理的 功能集中在语音工作站中, 系统的资源控制、数据库系统在服务器中实现, 业务生成、改动则由专门的应用处理工作站完成。整个系统是一个Client/Server结构的微机网络。
2.语音板卡技术 语音板卡的种类包括: 通信线路接口卡(数字中继卡、模拟线接口卡等)、信令处理卡(如七号信令卡)、语音资源卡、传真资源卡、坐席卡以及通用语音处理平台。
3.语音总线技术 语音总线使各种功能专一的语音板卡要连接成一个功能复杂的系统, 同时也是微机语音平台实现交换的基础。
4.机间扩展总线技术 限于微机的处理能力,一个语音工作站只能处理一部分呼叫或实现某一项功能。要将独立的语音工作站互连成一个大系统, 就需要机间总线技术。
呼叫中心系统主要是由带语音板卡的工控机、CTI服务器、应用服务器、数据库服务器、IVR(交互式语音应答)/IFR(交互式传真应答)子系统、人工座席子系统、业务网关子系统、指挥调度系统等硬件设备和应用软件组成。
现代呼叫中心是采用计算机电信集成（CTI）技术的新一代客户服务系统，其不同于传统电话服务中心之处在于将计算机的信息处理功能、数字排队交换机/带语音板卡的高性能工控机的电话接入和智能分配功能、自动语音处理技术、Internet技术、网络通信技术、商业智能技术与公安业务系统紧密结合在一起，将公安的通讯系统、计算机处理系统、座席业务代表、信息等资源整合成统一、高效的服务工作平台。它采用统一的标准服务界面，为用户提供系统化、智能化、个性化、亲情化的服务。
呼叫中心具有以下几个鲜明的特征： 〃实现“一号通”，便于用户的记忆； 〃智能化呼叫路由使资源得以充分利用，采用统一的智能呼叫处理（ACD/AED/AWD）模型，由多种条件决定座席路由的选择；
〃自动服务分流，由自动语音或自动传真可使客户呼叫分流，或由不同业务代表提供不同服务的客户呼叫分流；
〃通过自动语音应答设备能够做到为客户提供7天×24小时全天候服务； 〃提供灵活的交流渠道，允许顾客在与业务代表联络时可随意选择包括传统的语音、IP电话、电子邮件、传真、文字交谈、视频等在内的任何通信方式等； 〃能针对顾客的具体情况安排有特殊技能的业务代表以满足顾客的要求，非专业的话务员可从数据库中取出专业信息，也可为用户提供良好的专业一级的服务； 〃主动向新的用户群体进行政策宣传，树立公安良好形象；
〃完善的客户信息管理、客户分析、业务分析等功能，为决策提供事实依据； 〃与公安部门警用GIS地理信息系统、GPS全球卫星定位系统、交通监控系统、无线集群系统等业务系统高度集成，可与公安内部网连网通讯。
2.2 GPS(全球卫星定位系统)简介
全球卫星定位系统（Global Positioning System-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
五十年代未，原苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星，美国科学家在对其的跟踪研究中，发现了多普勒频移现象，并利用该原理促成了多普勒卫星导航定位系统TRANsIT的建成，在军事和民用方面取得了极大的成功，是导航定位史上的一次飞跃，我国也曾引进了多台多普勒接收机，应用于海岛联测、地球勘探等领域。但由于多普勒卫星轨道高度低、信号载波频率低，轨道精度难以提高，使得定位精度较低，以满足大地测量或工程测量的要求，更不可能用于天文地球动力学研究。为了提高卫星定位的精度，美国从1973 年开始筹建全球卫星定位系统GPS（Global Positioning System）。在进过了方案论证、系统试验阶段后，于1989年开始发射正式工作卫星，并于1994年全部建成，投入使用。GPS系统的空间部分由21颗卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，地面高度为20000余公里，轨道倾角为55度，扁心率约为0，周期约为12小时，卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为1575.442兆 赫兹（L1波段）和1227.6兆赫兹（L2波段），卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置 的广播星历，用于测距的C/A码和P码，以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用 户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。
GPS历史
全球卫星定位系统是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。
该系统从上世纪70年代初开始设计、研制，历经约20年。
GPS作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。
因此，发展全球卫星定位系统(GPS)已成为美国导航技术现代化的最重要标志，并且被视为本世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就。
GPS系统最基本的特点是以“多星、高轨、高频、测量-测距”为体制,以高精度的原子钟为核心。
GPS定位原理
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如 卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。
按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。
在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为30一100米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级 的相位差分定位（RTK），实时差分定位需要数据链将 两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种 方式由几台接收机同时观测，它能最太限度地发挥GPS的定位精度，专用于 这种目的的接收机被称为大地型接 收机，是接收机中性能最好的一类。目前，GPS已经能 够达到地壳形变观测的精度要求，IGS的常年观测台站已经能构成毫米级的全球坐标框架。
GPS特点
1、全球覆盖连续导航定位。GPS有24颗卫星，且分布合理，所以在地球上和近地空间上任何一点，均可以连续同步地观测4颗以上卫星、实现全球、全天候连续导航定位。
2、高精度三维定位。GPS能连续为各类用户提供三维位置、三维速度和精确时 间信息。
3、实时导航定位。利用GPS进行导航定位，1s即可完成一次定位。这对高动态用户尤其重要。
4、被动式全天候导航定位。这种导航定位不仅隐蔽性好，而且可以容纳无数多用户。
5、抗干扰性能好、保密性强。GPS采用数据通讯的特殊编码技术，即伪噪声码技术。因而具有良好的抗干扰性和保密性。
GPS组成
全球卫星定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。
空间站由美国发射的24颗GPS专用卫星组成，它们位于地球上空201832公里轨道，均匀分布在6条倾斜角地球同步圆形轨道上，连续发射GPS信号。
地面站由一个主控站和五个监控站组成，用来对GPS卫星进行监视、遥测、跟踪和控制，以纠正卫星轨道、姿态和工作特性的变化。
用户部分只适用于各种用途的GPS接收机。
GPS精度误差
根据用户工作区域卫星状态的影响，在卫星分布、运行良好的情况下，GPS单机定位精度小于15米GPS定位中的误差主要来自于星历误差、卫星钟误差和接收机误差这三部分。
随着全球卫星定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
三 深圳博宇科技110无线报警定位调度系统概述
深圳博宇科技110无线报警定位调度系统以公安部《城市公安指挥中心110紧急电话服务系统通用技术指标》为基本依据，充分利用业界先进的GPS(全球卫星定位系统)、GIS(地理信息系统)、现代无线通信技术和呼叫中心技术，为贵公安机关进行无线报警、定位、调度服务。
深圳博宇科技110无线报警定位调度系统的系统容量如下：支持8个以上接警座席，4路高阻录音，30路以上中继接入,200个以上巡警/车载移动导航型GPS接收机；具体的系统容量可根据各公安机关的要求进行进一步设计。
〃系统基本工作原理
110无线报警定位调度系统主要由指挥调度中心与移动终端组成，其信息传输借助于现有的GSM网络的短信服务或语音信道。
巡警移动终端将GPS卫星接收天线收到的信号换算出的经、纬度信息通过移动终端的内置手机以短信息的方式（当短信阻塞、不畅时则借助语音信道）发回公安机关指挥调度中心，公安机关指挥调度中心即可将其所在位置显示于电子地图上相应的地理位置。
同时巡警的案情报警信息通过GSM网络的短信服务或语音信道经过CTI（计算机电信集成）服务器分配到相应的接警座席。
其中，移动终端有两种工作方式：
移动终端主动向中心端发出信号：该工作方式是由移动终端主动向中心发送报警信息。
移动终端被动向中心端发出信号（即中心端向移动终端查询）：该工作方式是首先由中心端向移动终端发出查询信号，然后移动终端向中心发回响应信号。该工作方式主要应用情境是：警务车和巡逻民警监控、调度等。
〃系统基本结构
本110无线报警定位调度系统是基于GSM/SMS的报警系统，系统本身无需建设大量基站，而是直接利用电信部门已建的GSM基站，在其提供的短信业务（SMS）/语音业务上增值开发报警及监控调度功能。
系统的结构简单，维护容易，包括以下两个部分：
指挥调度中心； 用户终端。
为了防止其它未授权用户入网，本系统采用加密及监权技术，防止恶意用户 入网非法调度或干扰正常用户通信。
指挥调度中心包括智能接警处警平台，警用电子地理信息系统(GIS)，数字录音系统和大屏幕投影仪等。
系统支持包括Dialogic、鼎铭、东进、三汇等主流语音板卡。工控机建议采用研华公司或研祥公司的产品；以确保指挥调度中心系统的高可靠性和稳健性。
采用包含中继/语音/座席功能卡的高性能工控机作为与公众移动交换网/PSTN的接口，通过后置交换兼备强大的ACD功能，透过高带宽的SC语音总线实现资源交换，是一个数据处理能力强、容量伸缩性强、功能齐全、服务手段丰富的110综合服务平台。
博宇科技110无线报警定位调度系统指挥调度中心的物理结构由带语音板卡的高性能工控机、CTI服务器、接警座席、统计维护管理工作站、数据库服务器/应用服务器、短消息网关服务器、同步数字录音工作站、网络系统和大屏幕投影仪等以及所开发的有关应用软件构成。
博宇科技110无线报警定位调度系统指挥调度中心的网络拓扑结构如下图所示：
110无线报警定位调度系统指挥调度中心的网络拓扑结构图
110无线报警定位调度系统由以下子系统构成：（1）交换接入子系统（2）CTI子系统
（3）接警座席与电话调度指挥子系统（4）系统管理维护子系统（5）身份认证处理子系统
（6）数据库服务器/应用服务器子系统（7）同步录音子系统（8）网络子系统
（9）短消息网关子系统
110无线报警定位调度系统将按照服务“一号通、一线清”的设计理念，遵从实用性、先进性、安全性、可靠性、容错性、可扩展性、可移植性、互联性和开放性的原则和“统一规划与分步实施相结合”的方式对系统进行规划设计。
110无线报警定位调度系统的实现将采用各种基于开放标准的信息技术及符合国际工业标准的软、硬件产品，软件开发采用微软先进的软件工程方法MSF和面向对象的结构化程序设计方法。
本系统在业务和容量上具有良好的扩展性。公安局可以根据自身业务特点和处理习惯，设置系统接入服务后的处理流程，以适应业务的不断发展；系统配备健壮的开发接口和丰富的开发工具，充分支持现有的开发手段和开发成果，并且易于使用和足够强大以满足公安局未来业务变化的需求，很容易使现行系统扩展成为几十个席位的大中型110无线报警定位调度系统。
系统友好的操作界面和实时监控能力使得管理员能够轻松掌握所有功能的操作和管理。功能丰富而强大的座席业务软件系统，减少了座席服务技能的差异，大大提高了业务处理效率和服务水平。
公安局110无线报警定位调度系统将认真处理每次报警呼叫，并提供智能路由选择、电话外拨、预计客户等待时间、屏幕弹出、呼叫和客户数据以及操作界面同步转移、因特网服务等先进功能，大大提高公安局的响应速度和形象。同时，还实现客户信息的集中管理，提供业务统计和呼叫统计分析等功能，通过客户的相关信息为客户提供个性化服务，确保每个呼叫的处理都能满足的特定需求，同时能自动对所有客户的呼入过程及操作内容进行量化处理，生成报表，作为管理依据，以帮助公安局领导实现决策分析。
四 深圳博宇科技110无线报警定位调度系统的业务功能
深圳博宇科技公司 110无线报警定位调度系统人工接警座席示意性界面如下：
本110无线报警定位调度系统业务功能如下：
〃报警信息接警
接警座席对巡警及警务车报警信息进行接警处理。
另外具有：
主叫号码提取；
自动去除误报功能；
进行自动呼叫分配(CAD)。接警平台可实现排队接警功能，对呼入报警进行循环或顺序排队方式接入各接警席位，当接警座席忙时向报警者播放提示音，一旦座席空闲立即接入。
自动获取主叫巡警的相关资料；
自动同步录音报警信息。
〃报警
巡警利用移动终端（带手机通信功能的GPS接收机）发出报警信号，通过GSM系统送到指挥调度中心。
〃警务车和巡逻民警实时定位 包括：
应答式定位传输：巡警利用移动终端能重发定位信息，直至监控中心收到并确认为止，每次重复都是最新位置信息；
巡警及警务车定位点名：单点、定时点、分组点，可动态编组； 〃显示功能
（1）电子地图能实时显示移动目标位置和状态，同时能提供该移动目标的档案资料，以及有关的警力分布情况。
（2）电子地图可任意无级放大或缩小，任意平移或漫游，并多层显示。（3）当目标移动到屏幕边缘时，能自动回到屏幕的中心。
（4）系统支持多个屏幕的显示，组成全方位的显示墙。窗口可以在所有屏幕上任意移动，同时接受操作员的控制。（5）支持大屏幕投影仪，无级可调。
〃综合统计报表，后台进行案情记录，自动生成接警报表；
〃支持局领导通过因特网/局域网进行报警情况以及警务车和巡逻民警位置的查询
〃系统维护管理功能
博宇科技所设计的110无线报警定位调度系统在提供各种各样的业务服务的同时，也向公安局提供详尽的维护管理功能。
系统维护管理的主要功能如下： 〃安全管理功能
该系统具有较强的可靠性和稳定性，能够对客户提供24×7小时的不间断服务。
系统采用了多种安全防护措施来保障系统的安全，如网管系统采取高级别、多层次的安全防护措施；网管系统应提供严格的操作控制和存取控制。
对于座席人员有一个登录系统的工号和口令，既保证对其工作量进行准确考核，又保证了对座席工作状态的更准确的监控。
〃服务质量管理
系统可以对本呼叫中心的服务质量进行统计、生成报表等操作，以便根据实际情况即使调整策略改善服务质量。
〃业务管理
系统提供个性化的业务管理模块给公安局，从而使之可以直接对其业务的开放、关闭、修改、增加等进行操作，对业务的各项参数进行有效实时的管理。
五 110无线报警定位调度系统的GIS公安地理信息子系统
随着现代公安指挥系统的发展，以及社会信息化的发展，按照统计现代化社会信息系统中，有85％以上的数据均有地理属性，MapEngine地理信息系统用地图，图形和图表等信息描述形势通过对数据库的查询、操纵来实现对各类信息的分析处理，可以将结果清晰的以地域分布或图表的形势显示出来，使用户能够身临其境。
MapEngine地理信息系统基础平台运用全组件化技术、多级组件模型、良好的体系结构。产品具有良好可扩展性以及优秀的运行效率，MapEngine同时兼顾严谨的GIS基础和易于使用的可视化技术，开发过程简便，它适用于广泛的开发 工具(如VB、VC、Delphi、PowerBuilder、VFP、Notes等)，能够链接各类数据库。
我公司将为公安局采用专用的GIS系统开发平台-MapEngine，进行开发110 GIS公安地理信息子系统，并与110无线报警定位调度系统实现无缝集成。
110无线报警定位调度系统用MapEngine可以成功的解决比例尺1:10000,1:2000,1:1000,1:500的地图合成问题，做到了高精度、高质量。它采用按钮控制，方便操作，功能强大。
1.通过此系统，可以在输出终端看到高清晰度、高质量的地理信息画面，能够快速在计算机显示屏上显示了城市地理位置图、警区分布图、大型建筑物、公共服务设备分布图、人口密集区域等地图信息，可以多层显示、区域自动切换，系统控制人员对地理信息的画面可以任意搜索、放大、缩小察看，也可以通过指定所观看的地名显示出图像，当地图信息发生变化，可以修改相关地图。
2.利用MapEngine的多层次地图显示功能，能够快速实现多窗口之间的地图切换：城市地图(包括商业、文化娱乐、人口密集场所、街道、重点单位平面图)。重点部位保卫部署图。
3.能够快速在计算机显示屏上显示出以下文字信息：从地图上 直接查勘建筑物群的名称、特性、道路、安全措施、概况、生产 性质等。区域环境简介，包括地理特点、警力分布情况以及其它注意事项。演练情况记载，包括时间、部位、情况组织人。自动 显示报警点的准确位置以及周围地图的同时，以文字说明报警来源、报警登记(包括类别、时间、部位、情况、原因)。
4.利用MapEngine的动态数据连接、查询功能，通过多种图形和文字信息的操作手段辅助，接受多种途径的报警，确定警情发生地 点，自动完成警情分配，进行计算机辅助指挥，同时处理多个警情。
5.MapEngine提供多种数据显示方式，如饼图、直方图等等，方便指挥人员定期进行分类统计，对报警多发区强加防范，最大限度 地减少损失。分析人员可以利用MapEngine的分层工具显示出暴力犯罪集中区，再逐层叠加该地区的服务设施分布格局图以及假释犯分布密度图、酒吧分布图、拘留分布图、吸毒者分布图等。此系统在110无线报警定位调度系统的应用，将给用户带来一个强有力的、可使数据地图化的动态工具，它提供给用户一个容易使用和容易修改的信 息网络，并且可以节省开支，节约时间，提高效益。在使用MapEngine 之前，很多110无线报警定位调度系统工作只能依靠数据库程序相应的地理位置建立关联系统,使用户不能方便地完成工作。除了图形以外，强有力的数据库连接功能可帮助用户与某一地点有关的所有数据建立联系，建立地图文件，它的分析功能可以大大提高110无线报警定位调度系统的工作效率，所有的数据可被选择，查看及比较。数据库可以从其它系统转入，或通过网络应用MapEngine的DataLink直接访问上述远程数据库。
无线室内定位系统研究 篇3
目前,在室外环境下,全球定位系统(GPS)已经能够成功地对移动目标进行定位。它通过GPS接收机测量来自5～24个卫星信号的到达时间差(TDOA)进行位置估算,可以提供接近全球的定位覆盖范围。但在室内环境下,GPS的卫星信号受室内障碍物的阻隔,难以实现[1]。同时,GPS的成本和功耗较高,不能适应一些应用场合的要求。
WSN是一种短距离、低速率、低复杂度、低功耗和低成本的无线通信网络,主要用于分布式测量和远程控制[2]。本文利用接收信号强度指示(RSSI)和节点距离的关系以及参考节点的位置信息求出未知节点的位置[3],如何克服由RSSI波动产生的定位误差是需要解决的关键问题。本文主要介绍了CC2431定位精度的测试实验,首先说明测试系统的设计方案,然后给出初步的结果和简要分析。实验结果显示,通过增加参考节点数量、对采集的RSSI值进行处理以及上位机对采集到的未知节点坐标的处理,未知节点可以获得小于1m的定位精度。
1 RSSI定位原理
在WSN中,当发射节点的发射功率不变时,接收节点的接收功率会随着距离的增大而减小。发射功率与接收功率的关系可表示为:
PR=PT/dn (1)
PR为接收功率,PT为发射功率,d表示发射节点与接收节点间的距离。参数n描述随距离的增加信号强度的衰减程度。将该关系式简化后可表示为[4]:
RSSI=-(10N*log10d+A) (2)
该关系式简单地描述了RSSI值与距离d的关系,本系统主要使用该关系式计算出盲节点与参考节点间的距离。其中,N为信号传播常数,该参数与应用环境密切相关,需要通过测试实验确定;d代表距发射器间的距离;A代表距离1米时接收信号的强度,该参数由应用环境、节点发射功率和射频电路性能等共同决定,也需要通过实验确定。
CC2431定位引擎采用基于RSSI的定位技术。已知发射节点的发射信号强度,接收节点根据接收到的信号强度计算信号的传播损耗,利用上文提到的公式将两者间的关系转化为距离,计算出未知节点的位置[5]。为了减少环境对定位误差的影响,写入定位引擎的RSSI值需要先进行校正处理。
2 定位系统设计
2.1 总体设计
基于WSN的室内目标定位系统的硬件主要由两部分组成:无线传感器节点、监测终端。其中传感器节点包括参考节点、盲节点以及网关节点。监测终端指用串口与网关节点相连的PC机,主要用于控制WSN中的节点通信、显示移动节点的位置、保存相应的数据等。本设计的系统框图如图1所示。
在基于RSSI的定位系统中(如图1所示),部署在监控区域内的参考节点收到盲节点的请求后广播固定次数(次数由用户给定)的定位信息,包括控制命令、参考节点的坐标和节点ID等。盲节点将接收到的信号强度进行校正处理后再写入定位引擎开始定位。盲节点求出位置后,将位置信息通过WSN发送至网关节点,网关节点再将位置信息通过串口传送给上位机显示。
2.2 硬件结构
无线传感器节点的硬件主要由四部分组成:传感器模块、信息处理模块、无线通信模块及能源供应模块[6]。传感器模块负责信息获取。信息处理模块管理节点数据,用于保存并处理自身采集到的数据信息。无线通信模块主要负责节点间的正常通信。能源供应模块用于给传感器节点提供能量。
本文所使用的硬件采用TI公司制造的CC2430和CC2431芯片。参考节点、网关节点使用CC2430,盲节点采用CC2431。
2.3 软件设计
定位系统的软件包括运行于上位机的软件和运行于WSN节点的软件。上位机软件主要完成传感器网络的配置、位置信息的采集、显示和存储以及多种位置相关数据的统计等功能。
由于各种节点的功能不同,因此需要分别设计盲节点、参考节点和网关节点的软件。各种节点软件在结构上是相似的,可以分为硬件层、硬件接口层、应用支持层和应用层等多个层次。TinyOS是专门用于资源有限的WSN节点的操作系统,采用基于组件的NesC语言开发。应用程序通过调用TinyOS系统组件提供的接口函数,可以实现网络通信、A/D转换和定时等功能[7]。
在本文所述的定位系统中,盲节点和参考节点间参考信息的收发采用点对点的通信协议实现,而盲节点位置数据和各节点配置参数的传输则利用多跳的网络协议完成。
在实际室内环境中,RSSI值受墙壁、地面、室内障碍物、人员走动等因素的影响,从而可能会引起对A值和N值测量的误差,最终计算出的位置出现较大的误差。为了减小环境对测量值的影响,测量A、N值时分别采用方向均值法和拟合法[8]进行测试,得到符合本环境的参数。在盲节点软件中,加入对接收到的RSSI值进行简单的排序、删除、均值处理,定位引擎使用处理过的RSSI值然后再开始定位。文献[9]提出了卡尔曼滤波法处理RSSI值,该方法能有效地滤除受干扰情况严重的RSSI值,但是需要消耗一定的时间及能量。本系统中对RSSI值采用简单的滤波处理,可节省时间和能耗。滤波处理指盲节点先对每个参与定位的参考节点分别采集50组RSSI值,每组的采集周期为20ms。再对这些RSSI值由小到大进行排序,删除前10组和后10组数据,取中间的30组数据再进行均值处理。在剩下的30组RSSI值中,可能依然存在受环境影响比较大的值,作均值处理后仍然会对定位误差产生一定的影响。因此,盲节点的一次定位结果不可作为最终结果。本系统将盲节点采集到的4次位置信息进行平均后作为最终的位置,最后在上位机显示该点。通过对以上数据的反复测量及处理,实验结果得到了优化,定位误差明显减小。
3 实验结果及分析
实验的主要目的是测试CC2431在连通空间中的定位精度,同时对比放置4个、6个和8个参考节点时盲节点的定位误差。以往很多研究都是采用仿真的方法测试定位精度,如文献[10],但仿真测试不能模拟环境中存在的各种干扰。在实际室内环境中,RSSI值容易受多径、非视距等因素的影响,仿真结果和实际情况存在较大的偏差,因此在实际环境中进行测试更具有实际意义。
3.1 实验方法
3.1.1 实验平台与环境
实验系统的硬件由多个以CC2430或CC2431为核心的WSN节点和一台PC机构成。节点软件采用TinyOS系统的NesC语言开发,上位机软件采用C#开发,可以实现参数测量、节点配置、位置数据采集、定位误差计算和位置显示等功能。由于RSSI 测距在10m以内较精确,距离大于10m,RSSI幅度变化不大,测距精度将有所下降[11]。因此本实验的实验地址选在11m×9m的教室中进行。在教室中选取中间6m×6m的区域摆放节点,节点距地面高度为70cm。实验环境分布如图2所示。浅色节点为参考节点,深色节点为盲节点,盲节点需要测试这些位置的定位误差。参考节点的具体位置坐标如图2所示。当需要使用6个参考节点时,关闭第2列的两个参考节点,当使用4个参考节点时再关闭第2行的两个参考节点。
3.1.2 实验步骤
开始定位前,首先对A、N值进行测试。首先采用方向均值法。测试A值时取8个方向上1m距离的接收信号强度,最后再取平均值作为本环境的A值。同理,测试N值时也需要在不同距离不同方向上进行,取平均值作为N的最终值。测试界面如图3所示。接着采用文献[7]中提出的拟合法测试A、N值。再和第一次的方向均值法结果作平均处理,得到本实验环境的A值为41,N值经查表后为18。
测试结束后设置参考节点的位置坐标和盲节点的相关参数,参数设置界面如图4所示。
参数设置结束后启动盲节点开始定位,定位界面如图5所示。
3.2 实验结果分析
将上位机采集到的数据保存到Access数据库中,每次定位耗时低于1s。每组实验采集100对数据,每对数据都是由4个位置信息作平均后的值。将采集到的位置信息作相应的对比后实验结果如下:
(1)盲节点越靠近边界,定位误差越大。实验结果显示盲节点位于点(3,3)时,定位误差最小,最大的误差不超过0.5。当盲节点两边都靠近边界时,如点(5,5),误差比较大,最大能达到1.5m的误差。
(2)放置8个参考节点时的定位误差小于6个和4个的误差。对比效果最好的点(3,3)位置,所得的实验结果如图6所示。其中横坐标代表误差值,纵坐标代表误差值所占的百分率,不同参考节点数采用不同的颜色标注。
4 结束语
本文提出了一个基于无线传感器网络(WSN)的室内定位系统的设计方案。采用低功耗的WSN技术实现定位和数据传输。采用具有定位引擎的CC2431芯片,在不修改定位算法的情况下,通过软件来处理数据以减小定位误差。针对RSSI定位存在的干扰问题,提出适合本系统的处理方法,对各种数据进行反复测试作均值处理后再使用。确定好相应的参数和定位方案后,再对不同参考节点数的定位误差进行实验对比。最终的实验结果表明,所设计的定位方案相比CC2431提供的误差范围有所减小,能满足小范围内的定位需求。对于靠近边界的定位仍然存在比较大的误差,以后的工作将致力于研究如何减小边界定位误差。
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厘米级室内无线定位方法研究 篇4
定位装置包括发射装置和接收装置两部分。发射装置同时发射电磁波和超声波信号, 接收装置从接收到电磁波信号开始计时, 到第一次收到声波信号为止, 由此得到Δt, 接收装置据此计算出其与发射装置的距离。至此, 分别得到3个不同发射装置的坐标和接收装置到发射装置的距离, 即可算出接收装置在空间中的坐标。
2 定位原理
定位装置的定位原理如图1所示。
室内环境是三维立体空间, 传感器节点有2种, 分别为发射器和接收器节点, 如图2所示, 则假设发射器2节点之间的距离为L, 坐标为 (x, y, z) , 其中, x>0, y≥0, z≥0.由于该节点发射的超声波信号方向性比较强, 所以, 需要合理布置发射器的节点位置。经过计算, 发射器距离接收器节点平面至少要保持大约180 cm的距离。
如图3所示, 超声波信号到达接收器的路径有2条, 分别是直接到达的路径P1和通过反射到达的路径P2。假设2条路径分别为L1和L2, 信号沿这2条路径到达接收器的时间间隔为T, 例如L1-L2=2 m, T= (L2-L1) /V, 则T≈6 ms。
设超声波发射器与接收器之间的距离为R, 则传播时间为R/V。超声波发射的脉冲持续宽度是Tus, 则超声信号可以在时间Dus=R/V+Tus内消失。因此, 发射器的超声信号在时间间隔Dus内将消失, 发射器发射的RF信号由于时间短也会消失, 即如果2个发射器信号传播的间隔时间大于Dus, 那么, 接收器在接收信号时不会产生干扰。在规定的距离内, 本文采取将发射器的发射时间间隔调为最小Dus的方法将发射器之间的干扰最小化。
在静态过程中, 接收器可以同时接收3个及以上的发射器信号, 并通过式 (1) 得到距离值。式 (1) 为:
3 硬件结构
3.1 微控模块
该方案选用P89V51芯片, 芯片核心处理单元为80C51。
3.1.1 考虑到测量精度
由于测距的误差要求小于1 mm, 超声波速度C=344 m/s (在20℃室温下) , 则测距误差△t< (0.001/344) ≈0.000 002907 s=2.907μs。只要保证时间差达到微秒级, 那么, 测距误差就可以小于1 mm。因此, 系统采用89C51定时器能保证时间误差在1 mm的测量范围内。
3.1.2 电源模块
直接使用市面上销售的手机充电器, 从220 V民用电中得到5 V直流电。
3.1.3 串行通信模块
串行通讯电路存在于控制系统的发射端和接收端, 用于接收PC机发出的指令, 并调试程序。
3.2 RF模块
RF模块主要用于实现信号的发射和接收。该模块的作用是通过信号发射和接收芯片CC1100来实现的。在该系统中, 设置该芯片的频率为433 MHz, 这样可以实现高效率、高可靠性的数据传送。
控制过程可以分为参数初始化配置、接收数据和发射数据3部分。
3.3 超声波发射模块
多谐振荡电路输出信号是由时基电路及其外围元件构成的。由于超声波传感器的中心频率为40 k Hz, 所以, 要求驱动发射头的信号频率也必须为40 k Hz。在理想情况下, 驱动信号应为正弦波形或占空比为1的方波。在发射探头允许的电压范围内, 驱动信号的幅值要尽量大, 这样才可以获得较大的发射功率, 进而扩大系统的测量范围。
3.4 超声波接收模块
该系统的超声检测电路采用集成芯片CX20106A。这是一款用于接收红外线检波的专用芯片, 它是由前置放大器、陷波放大器电路、带通滤波电路、陷波放大器电路、波形整形电路和峰值滤波器等组成。常用的载波频率为38 k Hz, 与测距所有的超声波频率40 k Hz比较接近, 因此, 可以把它作为超声检波电路。当超声波接收端接收到40 k Hz的方波信号时, 超声信号会转换成电信号。这个信号经过CX20106A放大、滤波、整形后输出负脉冲电压, 驱动放大器将信号送入单片机的外部中断口。单片机在得到外部中断请求后, 会转入外部中断的中断服务程序作处理。
3.5 温度补偿模块
因为声速对温度变化的表现比较敏感, 并且室内昼夜有一定温差, 所以, 为了减小测距误差, 温度补偿是不可忽略的。
声速修正采用式 (2) 修正:
本文利用温度传感器DS18B20测量温度。
4 结论
在复杂的室内环境中, 比如地下停车场、大型超市和图书馆等, 经常需要获取移动终端或其持有者和室内物品的位置信息。因此, 厘米级室内定位的研究与应用是非常重要的, 这也是当下的热点问题, 而且其市场需求空间非常广。
摘要：随着经济的快速发展和业务的不断扩充, 人们对定位和导航的需求也越来越大, 但是, 市场上的定位工具很难满足人们对精确度的要求。简要介绍了将声波与射频技术相结合完成定位工作一种方案, 利用时间差测距, 预计定位精度为2050 mm, 以期为日后的相关工作提供参考。
无线室内定位系统研究 篇5
近年来,随着无线技术的发展,对室内外环境中人员和物体的追踪定位引起了研究者的广泛研究,基于位置服务(LBS)越来越受到人们的关注。位置服务即根据服务消费者所在地理位置的不同提供对应的信息服务,作为LBS的核心技术之一,室内定位是其重要的组成部分。因为可以广泛用于室内路由、治安、消防等方面,因此定位算法的研究具有重要意义。在室内定位系统开发研究方面,常用的方法是在室内环境下建立小范围定位网络。目前,越来越多的定位直接利用现成的无线通讯模块来估计对象节点(盲节点)的位置,应运而生的ZigBee技术以低成本、低功耗成为室内定位的首选。本文以ZigBee组建基本的网络,通过节点接收RSSI值的大小来进行距离计算,最终通过距离以及参考节点的位置来计算定位节点(盲节点)位置。
1 无线网络定位技术
在无线定位中,有基于测距和非测距两种方式。前者需要测量相邻节点间的绝对距离或方位,并利用节点间的实际距离来计算未知节点的位置;后者无需测量节点的绝对距离或方位,而是利用节点间的估计距离计算节点位置。基于测距的算法主要包含以下几种:三边测量、三角测量、极大似然估计等;基于非测距的算法主要有质心算法、DV-Hop算法、D-distance算法、凸规划算法等。对定位算法的性能评价指标主要有定位精度、节点密度、容错和自适应性、功耗和代价、网络规模等几个部分。综合以上因素以及结合现有的设备,本文选用基于RSSI测距的定位方式。其流程图如图1所示。
从图1可以看出定位由两部分组成:一是通过RSSI测距;二是根据距离以及参考节点位置计算盲节点位置。
2 RSSI测距模型
2.1 模型确立
无线信号传输中普遍采用的理论模型为Shadowing模型。该模型[1]为:
式中:d0是参考距离;p0是距离为d0时接收到的信号强度,其中还包含了遮蔽外衰减或环境造成的损耗参考(中值);d是真实距离;ζ是以dB为单位的遮蔽因子,其均值为0,均方差为σdB(dB)正态随机变量;p是接收信号强度;n是路径损耗指数,它的值依赖于环境和建筑物的类型。在实际测量中,选用以下的模型[2,3,4]:
即不统计遮挡因子对RSSI的影响,在实际环境下对RSSI影响最大的是非视距的影响。其中,射频参数A被定义为用dBm表示的距离发射器1 m接收到的平均能量绝对值,也就是距发射节点1 m处的接收信号强度;n为信号传输常数,与信号传输环境有关;d为距发射节点的距离。
2.2 参数优化
在使用A和n进行距离计算时,首先要面临的一个问题是A和n的取值问题。A和n的取值不同,对测距的误差影响很大。为了使模型能够尽量真实地反映出当前室内环境中的传播特性,保证RSSI测距的精度,需要对A和n进行优化,得到最适合该室内环境情况的参数值[5,6]。
通过线性回归分析来估计参数A和n的值,假设从室内环境得到的实验测量数据为(RSSIi,di),i=1,2,…,n,RSSIi表示在距离di上所对应的RSSI测量值。
式中:
以实验室走廊为例,测得100组数据,代入上述公式得出A=41,n=2.3。图2是参数优化后的RSSI测距模型曲线。在图中可以看出,根据线性回归分析可以很好地拟合出适应当前环境的模型曲线。
2.3 RSSI滤波处理
信号强度的定位算法中信号强度值随环境的改变有很高的灵敏度,这会限制测量的准确度。事实上信号强度与距离之间的关系很不让人满意,在环境中存在很大的波动性。在室内环境下实测得到的RSSI与节点间距离的关系曲线如图2所示。当传输距离较近的时候,RSSI值衰减得较快;当传输距离越远,衰减得越慢,接收强度对传输距离的变化表现不明显。在实际中,某一时间段内接收节点可以收到n个RSSI值,由于非视距和多径的影响,导致这些RSSI值具有很大的波动性,在代入公式进行计算之前,先进行滤波处理,得到一个比较准确的值,然后再进行计算。
本文采用高斯滤波模型进行RSSI滤波。引入高斯模型进行处理的原则是:在自然现象和社会现象中,大量随机变量都服从或近似正态分布,如材料性能、零件尺寸、化学成分、测量误差、人体高度等。
高概率发生区,选择概率大于0.6(0.6的取值是根据工程中的经验值)的范围。经过高斯滤波后,RSSI的取值范围为[0.15σ+μ,3.09σ+μ]。其中:
把该范围内的RSSI值全部取出,再求几何平均值,即可得到最终的RSSI值。
在d=1 m处,采集50组RSSI值,进行高斯滤波处理。
如图3所示,滤波前RSSI波动比较大,滤波后比较平滑。滤波前|RSSI|的平均值为38.9,计算距离d=0.71 m;滤波后|RSSI|的平均值为39.42,计算距离d=0.81 m。显然,高斯滤波能很好地提高测距精度。
3 定位算法
假设无线定位网络中有N个已知位置的参考节点,坐标为(x1,y1),(x2,y2),…,(xN,yN),RSSI测量值为(RSSI1,RSSI2,…,RSSIN)。通过利用无线信号传播衰落模型计算得到待定位节点到四个已知位置的参考节点的距离为R1,R2,…,RN,则可以得到以下方程[7]:
最终定位算法的研究就是求解该方程。在求解(x,y)过程中,选用基于泰勒级数展开迭代法进行计算。选用泰勒级数的原因基于以下几个方面[8]:
(1) 无需提供测距差测量值误差的先验信息。
(2) 可以应用于两个以上数目距离差测量的定位估计。
(3) 对距离差统计没有特殊要求。
(4) 在适当的距离差噪声水平上提供较准确的定位估计。
使用泰勒级数进行定位计算,首先面临的一个问题即泰勒级数展开需要一个与实际位置差距不大的初始值,初始值的选择越接近真实值,越可以保证算法的收敛性以及实时性。本文采用极大似然估计法来获取初始值,求得初始值公式为:
式中:
根据取得的值作为Taylor级数展开的循环初值,然后用Taylor级数展开,进行矩阵计算,并反复迭代求精,直到误差满足预先设定的门限,得出最终的位置坐标。
式中:
在每一次递归中,令
4 实验验证
实验是在实验室走廊(4 m×30 m)进行的,实验环境如图4所示。选用的是ZigBee硬件平台作为通信平台,该平台CC2431自带定位引擎,可以实现位置估计,并通过实验比较两种算法的差异。
CC2431使用的三边测量法进行位置计算, 采用均值滤波对RSSI进行滤波处理[9,10]。ZigBee开发平台如图5所示。
在实验环境中布置4个节点作为参考节点,位置分别定义为(0,0),(0,4),(30,0),(30,4)。确定A和n的值,实验环境与图2的实验一样。可以得知,A=41,n=2.3。在环境中任取31个点,分别测得该点的实际位置(x,y);使用CC2431得到的位置(x′,y′),使用本文提出的算法得到位置(x″,y″)。比较两个位置的误差大小d′与d″,如图6所示。
其中:
由图6可以看出,经过线性回归分析和高斯滤波,然后用泰勒级数展开,最终求得位置误差大约在1 m左右,而CC2431的定位误差在2~3 m左右。本文提出的定位算法较好地改善了定位效果,使定位误差主要集中在1 m左右,基本能够满足室内定位对误差的要求,提高了定位精度。
5 结 语
对基于RSSI的室内定位算法以及RSSI测距进行了全面分析。通过线性回归分析对参数进行优化,高斯模型对RSSI进行滤波,提高了测距的精度。最后采用泰勒级数展开法进行位置计算,比较了CC2431的定位算法,减小了定位误差,达到了提高定位精度的目的,证实了定位算法的优越性。
摘要：基于信号强度(RSSI)的测距是一项低成本和低复杂度的距离测量技术,被广泛应用于无线传感器网络基于距离的定位技术中。基于RSSI测距的定位技术,通过线性回归分析对参数进行优化,引入高斯滤波模型,对RSSI值进行修正,提高了测距精度。采用泰勒级数展开对位置进行迭代计算,最后在TI的ZigBee平台上进行实验验证,通过仿真和实验验证了算法的可行性和优越性。与CC2431算法相比,该算法减小了定位误差,提高了定位精度。
关键词：RSSI,线性回归,高斯滤波模型,泰勒级数
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无线室内定位系统研究 篇6
关键词：室内定位,无线传输,接收信号强度,到达时间差
0 引言
据调查, 人们有87%左右的时间都是在室内活动, 如办公楼、商城、机场大厅、展厅、仓库、图书馆、停车场等, 所以人们对室内定位与导航的需求日益增大, 尤其当室内环境渐趋复杂时, 就更加需要精准确定移动终端或其持有者、一定设施及物品在室内的位置。但与室外环境比, 室内环境却受到定位时间、定位精度及室内复杂格局等现实条件的多方限制, 因此已然较为完善的定位技术目前还无法得到良好的有效利用[1,2,3,4,5,6,7]。而且, 由于复杂环境下的室内定位在地下救助、智能家居、大型展厅等方面表现了重要的应用背景, 这就使得室内定位的研究在一定程度上可以提高生活质量, 保护生命财产安全, 因而此课题研发也相应具备了基础性的现实意义和实用价值。
1 传统定位方法
1.1 TOA方法
基于信号达到时间 (TOA) 的定位方法是通过测量收、发天线间直达波的传播时间来完成测距, 进而利用相关算法实现定位的[8,9,10]。
如图1所示, 使用三个基站 (BS) 定位时, 定义第m个移动台 (MS) 与基站i的距离di为:
上式中, t0为基站向移动台发送信号的时间, ti为移动台接收到发送信号的时间, c为光速。
借助三个基站的距离半径 (d1, d2, d3) , 可由下式具体估算移动台的位置 (xm, ym) 。
1.2 TDOA方法
在室内定位中, 基于达到时间差 (TDOA) 的定位方法一般采用发射天线同时发射两种不同传播速度的无线信号, 接收天线则根据这两种不同信号到达的时间差以及已知信号的传播速度计算收、发天线之间的距离, 再通过定位算法实现定位。TDOA的基本原理是利用双曲线的特性, 即双曲线上的点到焦点距离之差为定值[8,9,10]。TDOA多天线定位系统的定位方式可分为如下三步, 具体表述为:
(1) 测出接收天线接收到的信号到达时间差;
(2) 将该时间差转为距离, 并列入双曲线方程, 形成联立双曲线方程;
(3) 利用有效算法求解该联立方程的解, 即完成定位。
1.3 RSSI方法
基于接收信号 (RSSI) 的定位算法是已知发射节点的发射信号强度, 由接收节点根据收到信号的强度计算出信号的传播损耗, 接着又利用理论和经验模型将传播损耗转化为距离, 以此再计算得到节点的位置[11,12]。
2 参数化室内定位方法
由于室内无线信道的多径问题, 所以一般假设接收信号包含原发射波形的延时及衰减版本的有效集合。这是由几何光学传播模型产生的离散光线路径的结果。因此, 信道冲激响应h (t) 及其傅里叶变换Hn可写为:
式中, ak、Tk分别为第k条路径的幅度和时延;bk、uk分别由bk=akexp (-jω0Tk) , uk=exp (-jωsTk) 给出, 且均为复指数, 同时ω0为研究频段的最低角频率;ωs为角频率采样间隔;N为样本数。
假设有N个复数样本, 将可用p项复指数模型珟Hn估计Hn。其计算公式为:
式中, dk为复指数的幅度, βk为阻尼因子, fk为正弦信号频率;θk为正弦信号初始相位。
基于数学描述对物理过程的可匹配性, 因此可将物理上的多径问题用数学模型中的算法给出相应论述。在理想情况下, 可以通过最小化N个数据的均方误差进行估计, 具体公式为::
3 仿真分析
假设区域为100m×100m, 参数N变化范围为1~15。
实验中的仿真结果如图2和图3所示。图2显示的是在不同参数下定位误差的变化关系, 可以看出, 随着参数N的增大, TOA和RSSI以及本文方法的定位误差均呈现为不同程度的下降, 但是达到一定值时, 其定位误差又逐渐上升了;图3显示的是在不同定位误差下其误差的累积概率分布, 随着定位误差的增大, TOA和RSSI以及本文方法的误差的累积概率分布逐渐增大。通过图2和图3的仿真图形, 可以得出, 本文提出的定位方法的定位精度要高于传统的TOA和RSSI方法。相对于TOA与RSSI, 本文的定位精度更高, 这主要是由于进行了误差估计, 较好地解决了网络结构复杂、多径效应等现实不足, 使得定位结果更为准确、可靠。
4 结束语
本文对传统的TOA、TDOA和RSSI室内定位方法进行了详细的分析, 在此基础上开展了新的室内定位算法研究, 并针对其进行了仿真分析。结果表明本文的方法要优于传统的TOA、TDOA和RSSI室内定位方法。
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室内定位系统研究 篇7
对无线定位技术的研究与应用最早要追溯到20世纪60年代的自动车辆定位(AVL)系统。80年代以后,随着GPS和蜂窝移动通信系统的出现,迎来了无线通信新时代。90年代末研究无线技术的人越来越多,为此成立了专门的联盟和组织,掀起了一股热潮。从20世纪90年代末,许多研究人员开始了室内定位技术的研究,具有代表性的有AT&T Cambridge主持的Active Badges项目,之后进一步改进为Active Bats,Cricket,微软的Easy Living项目以及Georgia Tech公司的Smart Floor项目等。国内对这方面的研究起步较晚,主要有军队的科研机构,一些大学,如香港科技大学、台湾新竹大学、上海交通大学、复旦大学等,也开始了室内定位的研究。
目前,室内定位研究主要集中在以下两个方面:一是室内定位算法研究;二是室内定位系统研究。本文主要从室内定位系统的角度进行全面的阐述,将其分为6类:红外线定位系统、超声波定位系统、射频定位系统、磁定位系统、视觉定位系统、可听声定位系统。最后会从用户的角度来讨论这些系统的优缺点。
1 基于红外线的定位系统
基于红外线的定位系统是最普遍的定位系统,其红外线定位的原理是,由红外线发射器发射特定的红外线,然后通过室内固定的光学传感器接收红外线进行定位。直线视距传播和传输距离比较短是两大缺点,同时易受荧光灯等室内光线影响。
Active Badge系统是在1990年由AT&T Cambridge的Roy Want等人提出来的最早的室内标记定位系统之一,采用了扩散红外线技术。被定位的用户需要携带一个红外线设备(活动标记),这种设备需要每隔15s发送一个全局唯一红外信号。在需要定位的地方安装固定的传感器来侦测活动标记设备发射的红外信号,然后通过收集的数据得到标记设备的位置信息并转发到中央服务器,并对应用程序提供访问相关数据的接口。
在Active Badge系统中,尽管标记设备和网络传感器的价格很便宜,但是连接传感器的电缆增加了成本。系统通过近似法来估计用户位置,定位精度以房间为单位,而且标记设备依靠电池供电,信号发射频率是一个很重要的设计单元,如果信号发射频率是15s,那么平均能耗会很小,电池寿命能维持一年左右,这对用户会很方便。
2 超声波定位系统
在过去的几百年,人们受蝙蝠在夜间通过超声波信号来导航的启发设计了一个类似的导航系统。超声波室内定位技术的原理是,基本采用反射式测距法,即待测物体向参考点发射超声波然后产生回波,根据发射波与回波的时间差来计算出距离,通过三角定位来得到定位坐标。超声波定位整体精度较高,结构比较简单,但超声波受多径效应和非视距传播很大。典型代表系统有Active Bat系统和Cricket系统,其中Active Bat系统是Active Badge的改进,这部分简单介绍Cricket系统。
Cricket系统是一个分布式的室内定位系统,旨在提供用户隐私性、高效性能和低成本,采用TOA和三角定位技术来定位目标。Cricket系统包括安装在墙壁或天花板已知位置的超声波发射器作为基础设施和安装在待测物体上的接收器。发射器除了发射超声波脉冲还并行的发送RF(射频)消息,作为TOA测距方法的同步,因此,当在几何位置计算中发射器信号不足时,接收器可以通过无线电通信线路转发的语义字符串来获得近似的位置信息。
Cricket系统精确度在10 cm内。如果当发射器信号不足时,可以用射频信号来得到近似位置,系统的容错性比较好。位置计算方法在用户端运行,用户的隐私性好。物体接收器很便宜,系统成本比较低。然而,接收器在执行计算时需要同时接收超声波和RF两种信号,比较耗能。
3 射频定位系统
在室内定位系统中,射频技术有如下一些优点。无线电波更容易穿透墙壁和人的身体,因此有更大范围的覆盖区域,与其他定位系统相比,需要更少的硬件设施。基于射频的定位系统可以重复使用现有的射频技术设备,如WLAN中的AP,同时广泛应用三角定位和指纹识别技术。
3.1 RFID(Radio Frequency Identification)
射频识别是一种通过在射频可兼容的集成电路上电磁传输的储存和检索数据的方法。有被动RFID和主动RFID两种RFID技术,在被动RFID中,追踪标签是一个接收器,因此标签设备很小且便宜,可是标签的覆盖范围很短。主动RFID标签是一个无线电收发器,主动地传输它们的鉴定和其他的信息,因此,标签设备的成本更高一点,但主动标签的覆盖范围更广一些。在这部分,我们详细的介绍基于主动RFID技术的定位系统。
Where Net定位系统是由Zebra Technology公司设计的支持室内和室外的实时定位。标签安装在待测目标物体上,用复杂的到达时间差算法计算标签的位置。Where Net实时定位系统包括下面几部分:标签、定位天线、定位处理器、Where Ports,如图1所示。标签发送长距离的扩频无线电信标,信标有唯一的识别号以便每个标签能够识别和定位它们。定位天线安装在天花板固定位置上,接收来自标签的信号和转发这些数据到定位处理器。定位处理器用从定位天线获得的信息计算位置,并把计算的标签位置信息发送到服务器。固定在不同位置的Where Ports向标签发送低频的电磁信号,基于用户的应用来指示标签必需的行为。
在Where Net系统中,标签的体积为6.6cm×4.4cm×2.1cm,重量是53g,由电池供电,使用寿命大约7年。然而,定位精度不是很高,定位误差大约在2~3m内,基础设施的安装也很费时。
3.2 WLAN
WLAN技术广泛流行,已经在一些公共场所如医院、火车站和大学等实施应用。基于WLAN的定位系统可以重复使用室内环境中现有的WLAN基础设施,降低了成本。位置估计的精度受很多因素影响,如人身体的方向和移动,AP的重叠,附近追踪的移动设备,墙和门等。典型代表系统有RADAR系统和Ekahau系统,这部分简单介绍Ekahau系统。
Ekahau系统是由一家芬兰公司在IEEE802.11b无线环境下开发的可运用RSSI进行位置检测的室内定位系统。Ekahau系统有三部分组成:场所测量、Wi Fi定位标签和定位引擎,如图3所示。场所测量是一个软件工具,在实时位置估计前提供场所校准,展示了网络覆盖区域、信号强度、信噪比、数据速率和用户WLAN网络的重叠。Wi Fi定位标签附加到待测目标进行实时定位。标签发射射频信号,AP测量接收到的射频信号的信号强度,将测量的数据通过WLAN转发到定位引擎,也是一个软件工具,为任何设备如笔记本电脑、PDA等提供实时定位。将信号强度与场所测量已经做的场所校准结合起来,定位引擎计算和展示安装在设备上的Wi Fi定位标签的位置。
如果有三个或三个以上的AP来定位物体,这个定位系统的精度会达到1m。利用现有的WLAN网络结构,系统成本较低。标签的体积为45mm×55mm×19mm,重量为48g,便于用户携带,由电池供电。电池使用寿命大约是5年。
3.3 Bluetooth
蓝牙基于无线个人区域网的规范IEEE802.15.1标准开发,可以替代安装在移动设备上的IR端口在100m内通信。在蓝牙规范下用以MAC协议为基础的master/slave架构形成了微微网。多种设备,如移动手机、笔记本电脑、台式机、PDA等,已经嵌入了蓝牙技术。理论上,集成了蓝牙技术移动终端设备的用户,只要设备的蓝牙功能开启,就能对其进行位置判断。而蓝牙芯片组成本低,导致了定位系统使用的追踪标签成本低。
在基于蓝牙的定位系统中,形成各种蓝牙集群作为定位的基础设施。通过在同一个集群的其他移动终端来定位某个蓝牙移动设备的位置。
Topaz系统在室内环境采用蓝牙技术定位标签。使用蓝牙技术,Topaz仅仅能计算出二维位置信息,定位误差范围在2m内,在多障碍物的室内环境内想达到以房间为单位的定位精度不是足够的,因此可以将蓝牙定位技术与红外线定位技术结合起来达到这个目标。Topaz定位系统由软件和硬件部分组成,可以定位蓝牙标签或任何装备蓝牙技术的设备。
Topaz定位系统的系统组件和架构如图3所示。固定在不同位置的AP激活蓝牙和红外线来定位标签。通常地,一个蓝牙服务器与32个AP相关联,负责执行蓝牙功能,如管理AP。蓝牙服务器接收测量的信号强度,然后转发这些原始数据到位置服务器。位置服务器计算标签的位置。蓝牙服务器、位置服务器和位置客户通过LAN连接。
在Topaz系统中,将蓝牙技术和红外线技术结合起来,目标设备可以被定位到准确的房间。十几个物体可以同时被定位。然而,由电池供电的标签需要每个星期充电,与其他定位系统的标签相比,使用周期比较短。计算标签的位置延迟很长,大约10s~30s。
3.4 UWB
红外线定位系统在室内环境受无线信号被墙壁反射的多径效应的影响,而超宽带[13]脉冲在短时间内可能过滤出由原始信号反射的信号,可以提供更高的定位精度。超宽带技术的原理是,通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据。
Ubisense公司,由AT&T Cambridge的工程师资助,采用超宽带技术提供一种新的实时定位系统。在系统中使用利用到达时间差(TDOA)和到达角度(AOA)测距的三角定位技术来提供位置感知的灵活性。因为Ubisense系统测量信号角度和到达时间差,有墙和门的室内环境对其性能影响不大,定位精度达到厘米级。
Ubisense系统由3部分组成:传感器、跟踪标签和Ubisense软件平台。活动标签发送UWB脉冲,固定在已知位置的传感器接收来自跟踪标签的UWB信号。标签的位置数据通过现有的以太网由传感器转发到Ubisense软件平台,在软件平台分析和展示标签的位置。
与其他的基于RF的定位系统相比,Ubisense系统有更高的定位精度,在三维环境中约为15cm。位置计算的时间延迟很短且感知速率能达到每秒20次。基础设施部件覆盖范围很大,在一个大的位置监控区域系统是可扩展的。然而,高性能的定位系统价格也高。
3.5 Zigbee
Zigbee是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的,是一种新兴的应用于短距离范围内的传输数据速率低下的各种电子设备之间的无线通信技术。应用Zig Bee技术的室内定位系统是通过在传感器网络中布置参考节点,移动节点构成系统的,参考节点为静态节点,它们发送位置信息和RSSI值给移动待测节点,该节点将数据写入定位模块,分析计算得到自身位置。该系统常采用分布式节点设置,可以减少网络数据工作量和通信延迟的问题。
优点是功耗低,成本低,网络容量大,时延短,提供了数据完整性检查和鉴权功能。缺点是传输速率低,处理数据量小,存储容量小。
4 磁定位系统
采用磁信号去测量和追踪位置是一种很古老且经典的方式。当在发射器和接收器之间有障碍物测量位置时,磁定位系统有很高的定位精度,没有受到视距问题的影响。
Motion Star Wireless是使用直流电磁场发射脉冲来定位在3m内的传感器的运动追踪系统,是原始有线运动追踪系统Motion Star的改进版本。Motion Star Wireless系统通过测量安装在用户不同部位的传感器提供精确的身体动作追踪,系统侦测的传感器的位置信息可以用于各种应用,如动画、生物力学和虚拟现实等。
Motion Star Wireless系统由发射器、控制器和安装在传感器和RF发射器上的基站组成。发射器和控制器部分发送磁脉冲到安装传感器的身体,安装在特定身体部位的传感器接收来自发射器和控制器的磁脉冲。RF发射器把测量的数据发送到基站。最后基站计算传感器的位置并把数据通过RS232或以太网接口转移到用户的电脑。
静态位置估计的定位误差大约是1cm。跟踪用户所携带的传感器小巧轻便,携带方便。然而,系统的缺点是磁追踪器很昂贵。电池持续使用寿命大约是1~2小时,位置估计使用时间较短。系统性能受金属元素的影响,除此之外,发射器的覆盖范围限制在3m内,不利于大的室内公共应用和设备的扩展。
5 视觉定位系统
在复杂的室内环境中,基于视觉的定位是一种追踪位置和识别用户或设备的方式[17],不需要用户携带任何设备。视觉很容易提供一些基于位置的信息,如用户A坐在沙发上喝白酒。
微软研究院设计了基于视觉定位技术的Easy Living定位系统。基于视觉的定位技术可以从单个角度或多个角度来捕获目标的动作。Easy Living系统用多角度的基于视觉的定位技术和两个照相机来覆盖测量区域。位置估计将从相机中获得的颜色和深度结合起来来提供位置感知。
Easy Living系统的组件如图4所示。两个实时3D照相机负责覆盖测量区域和提供被更新的视觉,PC机运行立体模块接收照相机影像和处理这些原始数据。为了识别每个被追踪用户,Easy Living系统定义了靠近房间入口的“用户创建区域”。当用户进入房间时,在这个“用户创建区域”,立体模块就创建用户的视觉实例。立体模型追踪用户的动作和保持用户的位置历史。用这些被保存的用户位置信息,系统可以改正一些错误的位置估计。
尽管Easy Living系统对用户来说很方便,但仍存在一些缺点。系统需要大量的处理能力去处理立体照相机获得的影像,同时在动态变化的环境中不能保证精确度。
6 可听声定位系统
可听见的声音是一种室内定位可能的技术。基于可听见声音的定位系统可以重复使用设备,不需要可携带的跟踪标签,降低了系统成本。但在动态变化和公共的室内环境中可听见声音会被声音噪音干扰,也没有很强的穿透力。
6.1 Beep
三维Beep定位系统是基于可听见声音技术的低成本定位方案。在Beep系统中,采用了标准的基于TOA的三维多点定位算法。Beep所侦测到的三维位置信息可以用于实际应用环境中,如办公室大楼、购物中心等。
Beep定位系统的架构如图5所示,在系统中一个漫游设备被用作被跟踪目标来发送可听见声音。各种声音传感器提前安装在测量区域的固定位置,通过无线连接与中心服务器连接。这些传感器接收被追踪目标发射的可听见声音,然后通过WLAN转发这些数据到中心服务器,采用TOA方法来计算设备的位置。最后,漫游设备通过WLAN从中心服务器获得位置信息。测试实验在一个20m×9m的房间里,定位系统在90%的情况下的定位精度达到0.4m。另外,噪音和障碍物降低了系统6~10%的精确度。
Beep系统的优点是考虑了用户的隐私,避免了自动被追踪。如果用户不想系统知道他们的位置,用户能阻止他们的设备发送可听见声音。
7 结语
无线室内定位系统研究 篇8
1 地磁模型及地磁传感
地磁场是有大小、有方向的矢量, 其值可以通过地磁三分量表示。通过地磁三分量可以引出水平强度、地磁总场、磁偏角、磁倾角等信息[3]。这些信息被称作地磁七要素, 均可作为地磁定位的特征量。令X, Y, Z分别为地磁的北向强度、东向强度和垂直强度, 如图1所示。各个地磁信息之间有着公式1所示的转化关系。
公式1中H为水平分量, 它与X的夹角D称为磁偏角。T为地磁总场。地磁总场与水平分量的夹角I被称作磁倾角[3]。
在室内每隔一米作为一次采集节点, 每个点包含X, Y, Z等地磁数据, 在室内采集M*N个点以制作成室内地磁基准图。
2 地磁传感校正
由于具有磁性的物体或者是可以影响局部磁场的物体存在, 所以磁场传感器所处的位置的磁场会有偏差, 这种影响即地磁干扰。在没有地磁干扰时, 传感器绕着Z轴旋转, 则水平分量在XY平面内总是图3中绿色部分, 即以Z轴为圆心的标准圆。一般来说, 我们认为地磁干扰γ在某一点为一恒定的矢量, 则实际测量值α为实际地磁量β与γ之和。因此实际测量的地磁量在XOY内的投影为图1中红色部分, 即一个位移的圆。
因此根据上述特点可知, 我们在某一点通过旋转传感器采集各个方向的地磁数据, 则各个数据在空间直角坐标系中可以构成一个位置的球体[4]。根据公式2可以计算出球心。于是对于每个地磁分量减去位移的大小就可以对地磁干扰进行校正。针对这种校正原理, 一般有绕八字校正法和十面校正法。
由于在实际应用中, 传感器的姿态是随机的, 即不固定朝向某个方向, 因此实际使用的定位数据需要先进行姿态上的校正。传感器的姿态可以通过偏转角α, 翻滚角γ和俯仰角θ来表示。这里使用加速度传感器ADXL345测量传感器的姿态, 设对于加速度传感器的三轴输出为xA, yA, zA, 则俯仰角和翻滚角可以根据公式3求出[5]:
根据传感器的姿态, 我们可以将载体坐标系的地磁量投
影到地平坐标系上, 其转换关系为公式4所示[5]:
通过公式4可以对地磁数据进行姿态补偿, 其中Hxb, yHb,
Hzb为地磁传感器在X, Y, Z轴上检测到的地磁分量, Hxp, Hyp, Hzp为矫正后的地磁三分量数据。
3 基于地磁的室内定位系统
地磁定位系统首先通过传感器采集磁场数据, 然后对地磁干扰进行球体位移的校正。在磁场传感的过程中同步采集三轴加速度传感器的数据, 算出翻滚角和俯仰角以进行姿态的矫正。通过所获取的最终的传感数据建立地磁基准地图。在实际人员行走中, 通过一定的条件触发一次上述的采集过程, 通过匹配算法进行滤波并显示结果, 该过程如图2所示[6]。
基于地磁的室内定位系统由地传感器、三轴加速度传感器、主控芯片、键盘、显示器及电源管理模块组成。
4 地磁匹配算法
地磁匹配的算法通过实时采集的传感器所处位置的地磁物理量及人员运动的状态与预先采集建立的地磁基准图进行匹配从而进行定位。目前, 地磁匹配算法有很多种, 有最小距离度量法、相关度量法和粒子递推滤波等方法。本文采用的粒子滤波算法基于蒙特卡洛方法, 核心思想是通过序列重要性采样和随机近似概率分布递归来计算相关概率分布。
其方法是先建立地磁基准地图, 由于条件限制, 这里在长30m的走廊只取地磁总场强度作为特征值存入地图记作Mi, 然后通过线性插值后使分辨率为0.1m每个点。每次的状态记作Xt, 传感器所处位置的地磁总场强度记作Zt, 则t时刻目标的重要性函数为:
式中σ为测量噪声标准差, 根据传感器性能选取。
具体算法如下:
步骤1初始化:根据均匀分布, 在地图中抽样产生N个粒子
步骤2预测:For i=1 to N, 根据人员运动传感预测t时刻每个粒子状态{Xit|t-1}Ni=1。
步骤3滤波:
(1) 根据公式5重要性函数更新权值wti=P (Zt|Xti) 。
(2) 归一化权重
(3) 输出结果
步骤4重采样:
(1) 重要的粒子复制, 根据归一化权重将权值大的粒子进行多次复制, 将权值小粒子进行删减。
(2) 不重要的粒子重新根据均匀分布重新采样, 即对权值进行排序, 将排序靠后的粒子进行重新分布。
5 总结
本文设计了一个基于地磁传感的室内定位系统, 对基于蒙特卡洛方法的粒子滤波定位算法进行了验证, 实际测试匹配精度可以稳定为2m以内。本文中给出的方法的特点是通过提前预测粒子的运动方向以使得粒子的更新更容易收敛。在重新采样过程中, 将不重要的粒子进行重新均匀分布以避免经过多次滤波后粒子集中在某几个原始位置上。在后续的研究中将提高系统的抗噪性能, 并且从人员运动状态预测的精度上提高定位的精度。
摘要：文章设计了基于地磁的室内定位系统, 给出了系统的结构框图, 介绍了地磁的模型及地磁基准图的构建。然后介绍了地磁的校正方法以及基于蒙特卡洛方法的粒子滤波地磁匹配算法。文章在粒子滤波的重采样过程中通过复制重要粒子以及重新采样低权值粒子提高了定位的性能。
关键词：地磁,室内定位,蒙特卡洛,粒子滤波,重采样
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