基于室內定位的物聯網實驗平臺開發

張娟　陳春梅　路錦正　李強

摘要：高校物聯網實驗平臺的構建目前還處在探索階段。本文針對當前復雜的室內環境，人們對定位的需求日益增大，設計并實現了一個具有專業特色和實踐意義的物聯網實驗平臺。該平臺的硬件采用CC2430片上系統，定位算法是基于接收的信號強度（RSSI，Received Signal Strength Indicator）。該實驗平臺的作用表現在：①提供直觀的演示功能，幫助學生理解物聯網概念；②提供了無線傳感器網絡通信實驗，有助于學生理解物聯網各功能層的作用；③提供了無線定位功能，有助于學生理解定位算法的原理。

關鍵詞：室內定位；物聯網；無線傳感器

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）12-0251-02

在物聯網快速發展的潮流下，各個高校相繼開設了物聯網相關專業課程，同時也開始設計與之對應的物聯網實驗平臺。但是，現階段的高校物聯網實驗平臺還處于探索研究階段，甚至會經歷更長時間的探索研究階段，如何構建功能、技術完備的物聯網實驗平臺，有效地實現物聯網技術的實驗研討，推動物聯網研究的發展，成為物聯網開放實驗平臺構建的關鍵。當前，人們對復雜室內環境的定位需求日益增大，比如在倉庫、超市、礦井等環境中，常常需要確定移動物體及設備的具體位置，因此，研究并開發一套關于室內定位的物聯網實驗平臺十分必要。本文設計的《基于室內定位的物聯網實驗平臺》受到了西南科技大學教學改革項目的支撐。

一、系統設計

本文實現的室內定位系統包括無線傳感器網絡和PC端后臺處理程序兩部分，其架構如圖1。前端無線傳感器網絡采用3個參考節點、1個盲節點以及1個協調器節點的組合方式。“參考結點”是一個安置在已知位置的靜態結點。盲節點位置信息未知，由定位系統確定其自身所在位置。協調器節點的主要作用是組建網絡和對數據流的處理。PC端后臺處理程序對從網絡傳回的數據使用相應算法進行定位處理。

整個系統完成一次定位通訊的基本過程如下：①協調器節點首先發起網絡，各個參考節點按順序依次加入網絡，并分配相應的短地址；②盲節點加入網絡并根據短地址判斷，以確定需要給哪些參考節點發送數據包；③參考節點根據其所接收到的數據包解析出相應的鏈路質量信息包，并將接收到的值發送給協調器節點；④協調器節點將所接收到的數據信息解碼并格式化后，以二進制數據的形式通過串口傳送到PC端；⑤PC端的后臺處理程序從串口讀取由協調節點傳回的信息，通過相應的算法流程對信息進行處理得到盲節點的坐標，并通過圖形界面將盲節點的位置顯示出來。

二、節點程序的設計

1.參考節點的設計。參考節點的工作流程如圖2所示。參考節點會向協調器發送網絡響應請求，根據回復的網絡地址與其他節點進行通信，為了使參考節點省電，其每隔1s采集一次定位信息。參考節點主要參數有自己的坐標（xi，yi）和與其相對應的移動節點之間的RSSI值。當參考節點收到移動節點的RSSI請求命令以后，會自動收集數據鏈路質量信息，然后打包發送給移動節點，該數據包包括本身參考節點的坐標位置和RSSI值。

2.盲節點設計。參考節點的工作流程如圖3所示。盲節點是基于CC2431芯片的節點，由于集成了定位引擎，可以很好的起到定位的目的。盲節點每隔一段時間發送收集RSSI值的命令給各個參考節點，在收集到大于等于3個參考節點的數據以后，會根據相應的算法計算出最優的參考節點，然后經過上位機的處理將坐標點的位置進行顯示。在整個定位中，盲節點需要的定位參數有A和N值，這兩個值可以通過預先設定或者通過上位機進行設置，在不同的環境中，A和N值是不同的，所以在定位的時候一定要調整好不同的A、N值，以達到更準確定位的目的。

3.協調器節點的設計。協調器節點的主要作用是組建網絡和對數據流的處理。圖4為協調器的程序設計流程圖，協調器節點將網絡啟動狀態通過串口傳送給上位機，然后等待參考節點或者盲節點加入網絡，如果有其他節點加入網絡的時候，協調器會自動給它們分配一個十六位的網絡地址，當其他節點發送數據過來以后，協調器會先分析數據流的命令，并打包成一種符合本設計協議的數據包，然后通過串口發送給上位機，上位機在接收到數據后進行處理。協調器在本設計中屬于中轉站的一個節點。

三、系統測試與分析

本設計做好以后，在實驗室測量了三個參考節點，其坐標分別設定為（0，0），（10，0），（10，10），然后啟動分別啟動參考節點，并設置他們的坐標與之對應，然后啟動盲節點，并將盲節點放置在（1，1），（3，3），（5，5），（7，7），（9，9）幾個坐標點，并分別測定出他們的定位坐標值，其測定的坐標值分別為：（0.5，1），（2，3），（5，6），（7，6），（9，10）。在該測量中，數據會有一定的波動，最終選擇最好的幾個數據求平均值。在該測量中，A值取45，N值取20。上位機和實物圖見圖5。

四、結語

本文設計了一款基于CC2431的室內定位系統實驗平臺，通過該實驗平臺，學生可以完成移動目標身份識別、移動目標位置確定以及RSSI定位參數優化等實驗，培養了學生對物聯網知識、能力的綜合素質。

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