基本信息
- 項目名稱：
- 基于ZigBee技術的室內定位與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 采用Zigbee協(xié)議形成多跳自組織網(wǎng)絡，由分布在監(jiān)測區(qū)域內中的大量廉價傳感器組成，監(jiān)測物理和環(huán)境信息。無線傳感器網(wǎng)絡可以進行雙向通信，使得人們可以控制傳感器的狀態(tài)和活動。在所有的定位實現(xiàn)中，室內空間由于環(huán)境的復雜性，一直是定位系統(tǒng)實現(xiàn)的難點?，F(xiàn)階段，成熟的室內定位系統(tǒng)非常少、而且成本偏高，不利于推廣和應用。本設計利用ZigBee技術低功耗、高性能和低成本的特性，實現(xiàn)低復雜度、高精度的室內定位系統(tǒng)。
- 詳細介紹：
- 1.1 課題背景 采用Zigbee協(xié)議形成的多跳自組織網(wǎng)絡，由分布在監(jiān)測區(qū)域內中的大量的廉價傳感器組成，使用這些傳感器監(jiān)測物理和環(huán)境信息?，F(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡可以進行雙向通信，使得人們可以控制傳感器的狀態(tài)和活動。在所有的定位實現(xiàn)中，室內空間由于其環(huán)境的復雜性，一直是定位系統(tǒng)實現(xiàn)的一個難點?，F(xiàn)今，成熟的室內定位系統(tǒng)仍然比較少、而且多存在成本偏高的缺陷，不利于大范圍廣泛應用。本設計利用ZigBee技術低功耗、高性能和低成本的特性，實現(xiàn)一種低復雜度、定位精度較高的室內定位系統(tǒng)。 1.2 適用范圍及針對用戶群 本設計基于ZigBee組網(wǎng)與環(huán)境信息監(jiān)測技術、室內無線定位技術、人體生理參數(shù)采集技術，提出了一套為用戶提供室內地理位置服務（LBS）的完整解決方案，彌補GPS定位無法在室內使用，移動通信基站定位精度不高造成的定位技術空缺，為將來地理位置服務及環(huán)境、人體信息遠程采集大規(guī)模應用于大型倉庫、煤礦、監(jiān)獄、安保、醫(yī)院及保密單位重要物資管理等領域提供了技術基礎。 1.3 典型應用 礦山作業(yè)工人關愛 煤礦井下作業(yè)環(huán)境惡劣,容易發(fā)生事故，礦工一旦失蹤，后果不堪設想。 利用zigbee定位與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),地面監(jiān)控人員可以直接地、實時地監(jiān)控井下情況, 可以在礦井中布置很多結點，建立網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡定位和傳感功能 ，每個結點不停地采集溫度，瓦斯?jié)舛?，實現(xiàn)對礦井內環(huán)境的實時監(jiān)控，以及工人井內位置的定位跟蹤，不僅能直觀地監(jiān)視和記錄井下工作現(xiàn)場的安全生產情況，而且能及時地發(fā)現(xiàn)事故隱患,防患于未然, 并在發(fā)生事故時第一時間提供工人位置、礦井內環(huán)境狀況等關鍵數(shù)據(jù)，也能為事后分析事故提供相關的第一手資料。因此定位與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)會成為現(xiàn)代礦井安全生產監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。煤礦監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、中心控制部分、圖象顯示部分等。 醫(yī)院服務及遠程醫(yī)療 遠程醫(yī)療是信息技術與醫(yī)學相結合的產物，它使用遠程通信和計算機多媒體技術為患者提供醫(yī)學信息和醫(yī)療服務。隨著當今社會老年人口的劇增，醫(yī)療資源中監(jiān)護的作用更加突出。設計一個能遠程監(jiān)測生命體特征數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，實現(xiàn)“醫(yī)療健康云計算”是迫在眉睫的。 ZigBee無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)是為了彌補現(xiàn)有醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的不足、改善病房環(huán)境、減輕醫(yī)生、護士的工作量、更好的為病人服務而專門設計開發(fā)的一套醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，監(jiān)護病人的無線傳感節(jié)點以自組織形式構成網(wǎng)絡，醫(yī)院可以根據(jù)需要，對在診的病人進行身體特征數(shù)據(jù)的實時采集和跟蹤監(jiān)護：每隔一段時間采集一次病人的生理數(shù)據(jù)（體溫，脈搏等）及位置數(shù)據(jù)，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到監(jiān)護基站，并由基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC，建立數(shù)據(jù)庫，醫(yī)生或護士可以通過PC獲得病人的生理數(shù)據(jù)，對監(jiān)護病人做出及時處理，同時也為以后的診斷提供一些可靠的病例數(shù)據(jù)。 2.1 測量技術 基于距離的定位算法通過獲得電磁波信號的參數(shù)，如到達時間（TOA）、到達時間差（TDOA）、到達角度（AOA）、接收信號強度（RSSI），并將這些參數(shù)轉化為節(jié)點之間的距離，然后通過合適的算法計算出未知位置節(jié)點的具體坐標。 本項目采用基于RSSI的三邊測量法通過接收到的數(shù)據(jù)建立模型解超定方程得出未知節(jié)點的坐標。 RSSI（接收信號強度指示）:已知發(fā)射發(fā)射信號的強度和接收節(jié)點接收信號的強度，計算出信號在傳輸路徑上的損耗。使用已有的經驗或者理論模型就可以用傳輸損耗估計出兩個節(jié)點之間的距離。 2.2 室內定位算法設計 本文采用基于RSSI的三邊測量法，并在三邊測量法的基礎上進行了改進。 在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于節(jié)點密度比較大，很多情況下可以得到多于三個參考節(jié)點與未知節(jié)點的RSSI，。在本文的設計中，就是利用這種冗余的信息盡量提高定位的精度。 3.1 室內定位系統(tǒng)的構成 本文主要負責三方面的內容：（1）基于WSN的定位網(wǎng)絡的實現(xiàn)；（2）基于RSSI的軟硬件定位算法的實現(xiàn)；（3）使用FPGA中的Nios II核通過UART對WSN進行控制。室內定位系統(tǒng)由6個參考節(jié)點和一個協(xié)調器組成定位網(wǎng)絡，通過一條UART電纜連接到FPGA。當未知位置節(jié)點進入定位區(qū)域后，就可以通過WSN由FPGA計算出在區(qū)域中的位置。 3.2 Zigbee節(jié)點設計 Zigbee芯片選擇：CC2430是一款符合Zigbee應用SOC解決方案。該芯片與IEEE802.15.4標準所定義的物理層和MAC層完全符合。該芯片非常適合應用在超低功耗領域，工作時的電流損耗僅為27mA，并且通過休眠模式和快速的模式轉換進一步降低功耗。 Zigbee節(jié)點電路設計：Zigbee節(jié)點由CC2430芯片和外圍電路組成。因為CC2430是Zigbee技術的單芯片SOC解決方案，所示只需要很少的外圍器件，簡化了電路設計。 3.3 定位網(wǎng)絡設計 3.3.1 網(wǎng)絡構成 本文是基于RSSI（接收信號強度）的定位系統(tǒng)，由協(xié)調器（Coordinator）、參考節(jié)點（REF1—REF6）和盲節(jié)點（Blind）組成。 (1) 協(xié)調器查詢盲節(jié)點。在協(xié)調器建網(wǎng)成功后，協(xié)調器廣播發(fā)送查找盲節(jié)點的信息。 (2) 盲節(jié)點單跳廣播blast。在盲節(jié)點收到查詢請求后，盲節(jié)點單跳廣播8次blast信息，完成后分別向參考節(jié)點(單跳廣播)和協(xié)調器（單播）發(fā)送blast結束信息。 (3) 協(xié)調器等待接收RSSI值。在協(xié)調器收到blast結束信息后，在2秒內等待接收參考節(jié)點發(fā)送RSSI值。 (4) 參考節(jié)點發(fā)送RSSI值。參考節(jié)點收到blast結束信息后將記錄的8次RSSI取平均后發(fā)送給協(xié)調器。 (5) 協(xié)調器向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)包。協(xié)調器收集完RSSI值后將數(shù)據(jù)按照一定的格式打包，發(fā)送給上位機進行定位。 3.3.2 協(xié)調器軟件設計 在定位網(wǎng)絡中協(xié)調器主要完成兩個任務，一是與參考節(jié)點和盲節(jié)點交互獲取RSSI數(shù)據(jù)；一是與上位機交互接收命令并返回參考節(jié)點接收到的RSSI數(shù)據(jù)。 3.3.3 參考節(jié)點軟件設計 參考節(jié)點在定位網(wǎng)絡主要的功能是接收并儲存盲節(jié)點Blast信息，將8次Blast信息的RSSI平均值發(fā)送給協(xié)調器。參考節(jié)點需要接收盲節(jié)點的Blast信息和結束信息并且向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù) 3.3.4 盲節(jié)點軟件設計 盲節(jié)點在定位網(wǎng)絡中的功能是接收協(xié)調器查找盲節(jié)點指令，發(fā)送8次Blast信息，然后發(fā)送結束信息。 3.4 定位算法的硬件實現(xiàn) 根據(jù)定位算法中各部分不同的功能和運算量的多少對軟硬件進行劃分。 軟件部分：因為指數(shù)函數(shù)用硬件實現(xiàn)起來不方便，并且考慮到CC2430使用一個8bit的寄存器存儲每次接收信息的RSSI，因此我們在上位機中使用軟件建立一個8*256的數(shù)組來表示RSSI和d的關系。這樣就減少了運算量同時可以根據(jù)環(huán)境的變化方便的修改RSSI與d的對應關系。 硬件部分：硬件部分主要完成超定方程的運算。考慮到FPGA中有比較多的DSP資源，因此使用三個MAC進行并行運算加快算法的執(zhí)行速度。循環(huán)次數(shù)可以根據(jù)外部輸入進行調整，以減少不必要的運算。通過分析可知，系數(shù)可以不參與運算，只需要將最后結果右移一位。 算法執(zhí)行過程如下 (1) ADD1和ADD2分別計算x1-xi和y1-yi并將結果存于REG； (2) MAC1、MAC2和MAC3分別計算Σ(x1-xi)(x1-xi)、Σ(x1-xi)(y1-yi) 、Σ(y1-yi)(y1-yi)得到a，b，c，d； (3) MAC1計算(x1+xi)(x1-xi)+(x1-xi)(y1-yi)+(y1+yi)(y1-yi)； (4) MAC2計算Σ(x1-xi)(x1-xi)*(第(3)步的運算結果)得到B1， MAC3計算Σ(y1-yi)(y1-yi)*(第(3)步的運算結果)得到B2，MAC2計算ad+(-b)c； (5) MAC2計算dB1+(-b)B2，MAC3計算dB2+(-c)B1； (6) 將第(4)、(5)步運算的結果放入DIV中運算，將除法結果放入輸出寄存器，等待被取走
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作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明的目的： 彌補室內定位領域的缺失，降低室內定位技術的成本。 基本思路： 在定位區(qū)域內事先放置數(shù)個位置已知的固定節(jié)點，當位置未知的盲節(jié)點進入定位區(qū)域，向固定節(jié)點發(fā)送無線電信號，通過接收信號強度計算出盲節(jié)點到固定節(jié)點的距離，進而算出盲節(jié)點的坐標。每隔一段時間固定節(jié)點將向上位機發(fā)送該位置溫度數(shù)據(jù)，由上位機生成定位區(qū)域的溫度分布圖像 創(chuàng)新點： 1.采用集中式定位的方法，由一個定位引擎實現(xiàn)對各個節(jié)點的定位 2.本定位算法全部由硬件實現(xiàn)，有效地保障了系統(tǒng)的實時性 3.本設計在FPGA內部實現(xiàn)了兩個NIOS II軟核處理器，兩者通過Altera Mutex進行通信。充分利用了雙核協(xié)同工作的優(yōu)勢和邏輯、存儲器資源，分擔數(shù)據(jù)處理、外設訪問、外圍及內部邏輯控制等工作 技術關鍵： 1.采用自行研制的定位引擎硬件加速器，實現(xiàn)了無線定位算法中的關鍵模塊——硬件加速，使系統(tǒng)的整體性能得到大幅提升，實現(xiàn)了實時定位 2.編寫了linux字符型設備驅動，實現(xiàn)了uCLinux下設備打開、讀寫等簡單操作 3.軟件系統(tǒng)設計時為了使讀取數(shù)據(jù)、顯示定位信息、顯示溫度插值信息等同時進行使用了多線程編程技術，采用經典的“生產者消費者”模型進行設計 主要技術指標： 固定參考節(jié)點個數(shù) >=3 固定參考節(jié)點間距 <=20m 移動盲節(jié)點個數(shù) >=1 定位誤差 ±1m 測溫范圍 -28~128°C 定位時間間隔 4s 采集溫度時間間隔 40s
科學性、先進性
- 1.GPS衛(wèi)星信號無法穿墻，一般只能用于室外環(huán)境。本設計相對于現(xiàn)有的室內定位方案成本低、精度高 2.采用集中式定位的方法，由一個定位引擎實現(xiàn)對各個節(jié)點的定位。相對于TI公司分布式節(jié)點的方案，本設計將具有比較明顯的成本優(yōu)勢 3.定位算法全部由硬件實現(xiàn)，有效地保障了定位系統(tǒng)的實時性。相對于基于CC2431芯片的定位方案，本設計無論是定位速率還是盲節(jié)點的容量都具有顯著的優(yōu)勢 4.現(xiàn)有室內定位系統(tǒng)中，RADAR系統(tǒng)的環(huán)境適應能力極差，當室內環(huán)境發(fā)生變化時需要重新建立數(shù)據(jù)庫 5.Cricket系統(tǒng)利用超聲波信號和射頻信信號到達的時間差以及兩種信號的速度計算出未知節(jié)點與參考節(jié)點的距離。我們的系統(tǒng)相對成本和精度都有優(yōu)勢 6.Active Badge室內定位系統(tǒng)是最早提出室內定位系統(tǒng)之一，他使用紅外線技術進行室內定位，無法應用于復雜的環(huán)境中。我們的系統(tǒng)在此方面有極大優(yōu)勢
獲獎情況及鑒定結果
- 鑒定：國家科學技術部查新報告 鑒定結果：在國內上述檢索范圍內，像本項目那樣基于Zigbee技術采用集中式定位的方法，由單一的定位引擎實現(xiàn)對多個節(jié)點的定位，在定位算法的實現(xiàn)中使用硬件加速器，且在FPGA內部實現(xiàn)了雙核架構并成功移植uCLinux操作系統(tǒng)的研究未見公開文獻報道。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 專利轉讓
作品可展示的形式
- 實物、產品、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明： 協(xié)調器上電，通過串口線與FPGA相連。協(xié)調器建立網(wǎng)絡后，依次將參考節(jié)點上電，加入網(wǎng)絡。最后將盲節(jié)點上電，放入定位區(qū)域。開啟FPGA。 技術特點和優(yōu)勢： 1.采用集中式定位的方法，相對于分布式定位多定位引擎方案，具有明顯的成本優(yōu)勢。 2.定位算法全部由硬件實現(xiàn)，相對于基于CC2431芯片的定位方案，定位速率和盲節(jié)點容量都具有顯著優(yōu)勢 3.雙核設計，大核完成實時性強的應用，小核運行實時性弱的應用 適應范圍及推廣前景： 本設計提出了一套為用戶提供室內地理位置服務（LBS）的解決方案，為將來地理位置服務及環(huán)境、人體信息遠程采集等領域提供了技術基礎。 市場分析和經濟效益： 1.可用于大型商場、礦井、醫(yī)院等機構。也可面向個人用戶，例如監(jiān)控社區(qū)內兒童的位置 2.成本低廉。應用于大型商場花費在100美元以內。 3.不涉及到現(xiàn)有定位方式的隱私和法律問題。 4.基于本設計還可建立更加豐富的應用，如加入血壓、脈搏等測量模塊。
同類課題研究水平概述
- 1 .定位領域 根據(jù)定位原理的不同，WSN定位算法主要分為兩類：一是距離無關的定位算法，二是基于距離的定位算法?；诰嚯x的定位技術定位精度較高，但是對傳感器的硬件要求較高，容易受到溫度、濕度、障礙物的等環(huán)境因素的影響。 現(xiàn)在國外已經提出了一些基于WSN的室內定位系統(tǒng)，其中有代表性的室內定位系統(tǒng)有RADAR，Cricket，Active Badge等。RADAR系統(tǒng)是利用“指紋識別”技術來定位，通過對室內環(huán)境建立射頻信號“指紋”數(shù)據(jù)庫，然后將未知節(jié)點“指紋”信息在數(shù)據(jù)庫中查找，從而確定未知節(jié)點的位置信息。RADAR系統(tǒng)有易安裝，基站少，采用無線網(wǎng)絡的優(yōu)點，但是該系統(tǒng)的環(huán)境適應能力極差，當室內環(huán)境發(fā)生變化時需要重新建立“指紋”數(shù)據(jù)庫。Cricket系統(tǒng)是MIT提出的室內定位系統(tǒng)，利用超聲波信號和射頻信信號到達的時間差以及兩種信號的速度計算出未知節(jié)點與參考節(jié)點的距離。然后比較未知節(jié)點與各個參考節(jié)點的距離，選擇離自己最近的參考節(jié)點所在的房間作為自己的位置。Active Badge室內定位系統(tǒng)使用紅外線技術進行室內定位。每個需要定位的物體上使用紅外線發(fā)射器周期性的發(fā)送自身唯一的識別碼，同時在每個房間里安裝紅外線接收器，接收器通過有線網(wǎng)絡連接到控制中心?？刂浦行耐ㄟ^接收器接收到的物體識別碼就可以確定每個物體所在的位置。 現(xiàn)在國內也提出了一些室內定位系統(tǒng)，主要是基于TI的CC2431芯片，使用該芯片自帶的定位引擎進行分布式室內定位。 2. 環(huán)境監(jiān)測 由大量互連的微型傳感器節(jié)點組成的傳感器網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控手段相比，有三個顯著的優(yōu)勢：一是傳感器節(jié)點的體積很小且整個網(wǎng)絡只需部署一次，對周圍環(huán)境影響很??；二是傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量大。分布密度高，每個節(jié)點可檢測到局部環(huán)境的詳細信息并匯總到基站，因此傳感器網(wǎng)絡具有數(shù)據(jù)采集量大，精度高的特點；三是無線傳感器節(jié)點本身具有一定的計算能力和存儲能力，可根據(jù)物理環(huán)境的變化進行較為復雜的監(jiān)控。 基于 ZigBee 技術的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的目標是在無人值守的情況下，對局部范圍進行實時監(jiān)測。 3.本設計中定位算法全部由硬件實現(xiàn)，有效地保障了定位系統(tǒng)的實時性。相對于基于CC2431芯片的定位方案，本設計無論是定位速率還是盲節(jié)點的容量都具有顯著的優(yōu)勢。
