室內場館無線定位智能管理系統(tǒng)的設計

何沃林

摘 要：針對GPS室外定位技術在室內環(huán)境存在信號質量差、成本高、功耗大等缺點，文中設計了一種室內場館無線定位智能管理系統(tǒng)，利用智能手機作為移動終端，由參考節(jié)點兼做監(jiān)測節(jié)點，采用移動節(jié)點分布式計算定位結果，提高系統(tǒng)運行效率和網絡資源的合理利用率。結合ZigBee、WiFi、藍牙等傳輸模式，實現了在智能手機、移動管理終端（iPad）和固定管理終端（PC機）上對人員的雙向定位及設備監(jiān)測。測試結果表明，系統(tǒng)可以實現傳感器數據的正確采集和傳輸，室內定位精度可滿足場館人員的定位需求。

關鍵詞：無線傳感器網絡；ZigBee；人員定位；設備監(jiān)測

中圖分類號：TP39；TN929 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

物聯(lián)網時代的到來使得無線傳感器網絡的應用越來越普遍[1]，我們可以在科技館、展覽館、博物館中，采用ZigBee技術組建無線傳感器網絡，并在室內相關區(qū)域部署參考節(jié)點，通過隨身攜帶的移動節(jié)點對人員進行定位和設備監(jiān)測，實現場館的智能化管理。當前一些室內無線定位系統(tǒng)大都采用監(jiān)控式的被定位方式，即由被定位者攜帶移動節(jié)點進入相關監(jiān)測區(qū)域，通過測距和運行定位算法獲得位置信息，且其只能在場館管理終端的界面上顯示，由管理人員進行監(jiān)控，而被定位者則無法獲知自身的位置信息[2]。如果在較大的空間和復雜的環(huán)境中，被定位者可對自身所處位置進行主動獲取，那么室內導航將變得更為簡單、準確。因此，可以將主動和被動定位方式相結合，設計出一種既可通過移動終端設備主動獲知自身定位信息，又可通過本地或遠程端監(jiān)控定位的ZigBee網絡雙向定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的需求分析

室內場館無線定位智能管理系統(tǒng)主要應用在各種大型場館的人員定位、室內導航、設備監(jiān)測、智能導覽等方面，主要功能和技術要求如下：

（1）可以對觀眾和管理人員進行實時無線定位，節(jié)點間的有效通信距離不小于10 m，定位誤差小于1 m，網絡節(jié)點容量大、具有一定的抗干擾能力。

（2）觀眾和管理人員可通過手持移動顯示終端，實時獲取自身和其他人員的位置信息，還可以實現場館導航、展品導覽、信息查詢、設備監(jiān)測等功能。

（3）監(jiān)測展廳的展品、設備的工作狀態(tài)，溫度、噪音等環(huán)境情況，同時將這些參數發(fā)送給服務器。

（4）移動節(jié)點可以獨立完成自身位置坐標的計算，具有體積小、方便攜帶、耗電量低等優(yōu)點。

（5）保存定位數據、設備運行參數、人員信息等，通過后臺管理終端可對上述信息和數據進行統(tǒng)計和分析。

2 系統(tǒng)總體結構設計

室內場館無線定位智能管理系統(tǒng)主要包括下位機-ZigBee定位系統(tǒng)和上位機-應用管理系統(tǒng)兩部分。上位機由數據庫、服務器、固定管理終端（PC機）、移動客戶終端（智能手機）和移動管理終端（iPad）組成；下位機由ZigBee網絡的三種設備構成，即移動、參考節(jié)點及協(xié)調器。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

系統(tǒng)的工作原理和主要功能如下：

（1）由協(xié)調器、參考節(jié)點、移動節(jié)點組成ZigBee無線定位系統(tǒng)。協(xié)調器組網完成后，由于已知參考節(jié)點的對應位置，因此，移動節(jié)點（觀眾節(jié)點和管理員節(jié)點）進入監(jiān)測區(qū)域后便開始廣播，以獲取參考節(jié)點的物理地址、RSSI數值。移動節(jié)點中的處理器獨立計算出自身的位置坐標后，將這些定位數據發(fā)送給協(xié)調器，并通過網絡傳送到系統(tǒng)服務器[3]，從而獲取觀眾和管理人員的數量和位置等信息。

（2）無線定位網絡中的參考節(jié)點預先規(guī)劃并固定安裝在展廳的室內建筑和展品上，除可提供定位服務外，參考節(jié)點自帶的各種傳感器可收集展廳的溫度、噪音和展品的工作狀態(tài)等參數[4]，在設定的時間周期內通過協(xié)調器將數據發(fā)送給服務器。

（3）觀眾和管理人員登記身份信息后，每人攜帶的移動節(jié)點代碼對應個人的身份信息，并由數據庫保存移動節(jié)點代碼與身份信息。

（4）觀眾攜帶移動節(jié)點進入場館，使用智能手機通過WiFi或GPRS網絡登錄服務器，輸入自己的移動節(jié)點代碼，可以在電子地圖上查看展廳的分布、路線、自身位置信息、其他觀眾和場館管理人員的位置分布信息，并顯示觀眾實際位置附近展品的導覽信息，供觀眾選擇瀏覽。當觀眾需要幫助時，可以通過按下移動節(jié)點的報警按鍵，通知場館的管理人員提供幫助。

（5）為減少因為網絡傳輸延遲對實時定位造成的影響，保證在沒有 WiFi或GPRS網絡的情況下系統(tǒng)可正常使用，定位數據傳送采用藍牙信號傳輸方式。隨身攜帶的移動節(jié)點獲取周圍ZigBee參考節(jié)點的位置信息，處理器進行定位計算后，通過串口向藍牙模塊發(fā)送定位數據，完成藍牙信號轉換后，再向智能手機傳遞[5]。觀眾通過智能手機下載的客戶端軟件，可以在電子地圖上查看展廳和展品的分布、參觀路線、自己的實時位置信息，獲取展品的導覽信息。

（6）管理人員攜帶移動節(jié)點進入場館，使用iPad等移動管理終端，通過WiFi網絡登錄服務器，可以在電子地圖上查看自己、觀眾和其他管理人員的位置信息，以及觀眾的身份信息、求助觀眾的位置信息，還可監(jiān)控展廳的溫度、噪音等環(huán)境參數和展品的工作狀態(tài)。

（7）數據庫主要對定位數據、運行參數、人員信息、展品信息等進行保存，并對其進行組織分類，以提高系統(tǒng)的檢索效率[6]。

（8）固定管理終端可以實時監(jiān)控觀眾和管理人員的位置信息、觀眾求助信息，獲取觀眾身份、時間和路線等數據和信息，監(jiān)控展廳的溫度、噪音等環(huán)境參數和展品的工作狀態(tài)，通過對以上信息和數據進行統(tǒng)計和分析，為場館運營提供有效的技術支撐和管理手段。

3 系統(tǒng)無線定位工作流程

系統(tǒng)無線定位工作流程如圖2所示。

（1）系統(tǒng)上電初始化，協(xié)調器組建一個ZigBee網絡；

（2）所有參考節(jié)點加入網絡，并完成配置；endprint

（3）參考節(jié)點完成模型自適應，并校準模型的所有參數[7]；

（4）移動節(jié)點加入網絡，完成配置。移動節(jié)點發(fā)送定位廣播信息，每間隔20 ms進行8次RSSI“廣播發(fā)送”和1次RSSI“請求發(fā)送”；

（5）參考節(jié)點接收移動節(jié)點發(fā)送的8次RSSI廣播后，把接收到的RSSI廣播信號強度轉化為RSSI值，然后將8次RSSI廣播之后獲得的量化值，通過高斯濾波處理求平均值[8]。當參考節(jié)點接收到RSSI請求后，就向移動節(jié)點反饋 RSSI 平均值、環(huán)境參數、自身坐標等信息；

（6）移動節(jié)點按RSSI值的大小對各參考點信息進行排序，丟棄無效數據，保留有效的3～8個參考節(jié)點信息，完成一次定位信息的搜集，定位周期為 1 s；

（7）移動節(jié)點把一個定位周期內接收到的參考節(jié)點的定位信息發(fā)送給內部定位運算處理器，按照運行設定的定位算法，計算出自身的位置信息[9]；

（8）移動節(jié)點將自身位置信息通過協(xié)調器發(fā)送到上位機服務器， 通過B-0004藍牙模塊將位置信息發(fā)送給智能手機；

（9）根據接收到的移動節(jié)點位置信息，在智能手機、移動管理終端（iPad）和固定管理終端（PC機）的電子地圖上，不但可以看到自己的實時位置信息，還能看到其他觀眾和場館管理人員的位置分布信息；

（10）參考節(jié)點上的傳感器定期把展廳的環(huán)境參數和展品的運行數據通過協(xié)調器發(fā)送給服務器，并在固定管理終端的界面上顯示，也可以通過登錄iPad等移動管理終端查看。

4 移動終端的室內無線定位功能實現

以Android系統(tǒng)的智能手機為例，介紹了移動終端室內無線定位功能的實現方法。

4.1 移動節(jié)點與Android系統(tǒng)智能手機的通信

Android手機的客戶端啟用藍牙適配器，搜索到B-0004藍牙模塊后與其配對，輸入配對密碼后，設備連接成功。Android手機與B-0004藍牙模塊連接成功后，啟動已連接線程就可以進行信息交互，完成數據的偵聽和處理。

4.2 Android手機電子地圖的載入

室內場館電子地圖的載入可以方便用戶直觀地看到自身所處位置，從而快速到達目的地。Android系統(tǒng)最常用XML配置文件生成界面。電子地圖載入在Android系統(tǒng)的floorView類中實現，當載入了兩層樓的建筑平面圖時，以Tab標簽的形式在同一個界面顯示，把view1設置為一樓平面圖，view2設置為二樓平面圖，并作為Tab頁面背景嵌入到程序中。

4.3 數據的通信格式

Android手機、移動節(jié)點和ZigBee無線定位網絡定義了相同的通信格式，其定義的消息幀如圖3所示。

4.4 定位人員位置顯示

Android手機根據移動節(jié)點發(fā)來的定位坐標、建筑平面圖規(guī)格和屏幕尺寸，在電子地圖上顯示出定位人員的相應位置。在XML文件的picflash類中實現定位人員位置在電子地圖上的繪制。定位人員的圖標是一個預先設置好的ImageView，以建筑平面圖為背景，通過程序將其放置在界面的特定位置。通過接收藍牙模塊發(fā)來的定位數據，刷新節(jié)點坐標，設置地圖刷新標識，通過picflash類重新繪制節(jié)點位置，實現地圖刷新[10]。人員在一樓和二樓的位置顯示效果如圖4所示。

5 系統(tǒng)測試

5.1 參考節(jié)點的傳感器測試

參考節(jié)點除提供定位數據外，還可通過自帶的傳感器收集設備運行和環(huán)境參數等數據并發(fā)送。通過在三個不同參考節(jié)點上分別安裝數字溫度、濕度和光敏傳感器，并定期發(fā)送傳感器數據，經ZigBee網絡上傳至服務器后，可在專門的計算機監(jiān)控軟件上對傳感器數據進行顯示。參考節(jié)點的傳感器數據測試效果如圖5所示。

通過對比監(jiān)控軟件上顯示的傳感器數據與實地測量數據，可知實際誤差小于10%。測試結果表明，參考節(jié)點可以實現各種傳感器數據的采集以及數據的正確傳輸。

5.2 系統(tǒng)定位效果測試

在東莞科學館展廳的10 m×15 m區(qū)域進行了實地測試，參考節(jié)點間距為5 m，移動節(jié)點可以在參考節(jié)點包圍的區(qū)域內任意移動，通過對不同位置的移動節(jié)點進行20次測量，得到了圖6所示的測量結果。

由實測結果可知，當參考節(jié)點間距為5 m時，有效定位區(qū)域內的多數位置點定位精度均能達到1 m以內，基本滿足了場館人員的定位要求。

6 結 語

本文設計的場館無線定位智能管理系統(tǒng)通過組建無線傳感器網絡，結合WiFi、藍牙等多種傳輸方式，實現了在智能手機、管理終端上對人員的雙向定位和設備監(jiān)測。如果為智能手機內置ZigBee模塊，把移動節(jié)點的功能整合到智能手機里，那么無需另外攜帶移動節(jié)點，就可直接通過智能手機連接ZigBee網絡，利用智能手機自帶的操作系統(tǒng)和強大的處理能力，收集和傳送定位數據，運行定位算法后，直接在智能手機上顯示定位位置，在加快系統(tǒng)效率的同時減少了網絡延遲。

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