基本信息
- 项目名称：
- 基于ZigBee技术的室内定位与环境监测系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 采用Zigbee协议形成多跳自组织网络，由分布在监测区域内中的大量廉价传感器组成，监测物理和环境信息。无线传感器网络可以进行双向通信，使得人们可以控制传感器的状态和活动。在所有的定位实现中，室内空间由于环境的复杂性，一直是定位系统实现的难点。现阶段，成熟的室内定位系统非常少、而且成本偏高，不利于推广和应用。本设计利用ZigBee技术低功耗、高性能和低成本的特性，实现低复杂度、高精度的室内定位系统。
- 详细介绍：
- 1.1 课题背景 采用Zigbee协议形成的多跳自组织网络，由分布在监测区域内中的大量的廉价传感器组成，使用这些传感器监测物理和环境信息。现在的无线传感器网络可以进行双向通信，使得人们可以控制传感器的状态和活动。在所有的定位实现中，室内空间由于其环境的复杂性，一直是定位系统实现的一个难点。现今，成熟的室内定位系统仍然比较少、而且多存在成本偏高的缺陷，不利于大范围广泛应用。本设计利用ZigBee技术低功耗、高性能和低成本的特性，实现一种低复杂度、定位精度较高的室内定位系统。 1.2 适用范围及针对用户群 本设计基于ZigBee组网与环境信息监测技术、室内无线定位技术、人体生理参数采集技术，提出了一套为用户提供室内地理位置服务（LBS）的完整解决方案，弥补GPS定位无法在室内使用，移动通信基站定位精度不高造成的定位技术空缺，为将来地理位置服务及环境、人体信息远程采集大规模应用于大型仓库、煤矿、监狱、安保、医院及保密单位重要物资管理等领域提供了技术基础。 1.3 典型应用 矿山作业工人关爱 煤矿井下作业环境恶劣,容易发生事故，矿工一旦失踪，后果不堪设想。 利用zigbee定位与环境监测系统,地面监控人员可以直接地、实时地监控井下情况, 可以在矿井中布置很多结点，建立网络，实现网络定位和传感功能 ，每个结点不停地采集温度，瓦斯浓度，实现对矿井内环境的实时监控，以及工人井内位置的定位跟踪，不仅能直观地监视和记录井下工作现场的安全生产情况，而且能及时地发现事故隐患,防患于未然, 并在发生事故时第一时间提供工人位置、矿井内环境状况等关键数据，也能为事后分析事故提供相关的第一手资料。因此定位与环境监测系统会成为现代矿井安全生产监控系统的重要组成部分。煤矿监控系统包括数据采集部分、数据传输部分、中心控制部分、图象显示部分等。 医院服务及远程医疗 远程医疗是信息技术与医学相结合的产物，它使用远程通信和计算机多媒体技术为患者提供医学信息和医疗服务。随着当今社会老年人口的剧增，医疗资源中监护的作用更加突出。设计一个能远程监测生命体特征数据的系统，实现“医疗健康云计算”是迫在眉睫的。 ZigBee无线医疗监护系统是为了弥补现有医疗监护系统的不足、改善病房环境、减轻医生、护士的工作量、更好的为病人服务而专门设计开发的一套医疗监护系统。在系统中，监护病人的无线传感节点以自组织形式构成网络，医院可以根据需要，对在诊的病人进行身体特征数据的实时采集和跟踪监护：每隔一段时间采集一次病人的生理数据（体温，脉搏等）及位置数据，通过多跳中继方式将监测数据传到监护基站，并由基站装置将数据传输至所连接的PC，建立数据库，医生或护士可以通过PC获得病人的生理数据，对监护病人做出及时处理，同时也为以后的诊断提供一些可靠的病例数据。 2.1 测量技术 基于距离的定位算法通过获得电磁波信号的参数，如到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）、到达角度（AOA）、接收信号强度（RSSI），并将这些参数转化为节点之间的距离，然后通过合适的算法计算出未知位置节点的具体坐标。 本项目采用基于RSSI的三边测量法通过接收到的数据建立模型解超定方程得出未知节点的坐标。 RSSI（接收信号强度指示）:已知发射发射信号的强度和接收节点接收信号的强度，计算出信号在传输路径上的损耗。使用已有的经验或者理论模型就可以用传输损耗估计出两个节点之间的距离。 2.2 室内定位算法设计 本文采用基于RSSI的三边测量法，并在三边测量法的基础上进行了改进。 在无线传感器网络中，由于节点密度比较大，很多情况下可以得到多于三个参考节点与未知节点的RSSI，。在本文的设计中，就是利用这种冗余的信息尽量提高定位的精度。 3.1 室内定位系统的构成 本文主要负责三方面的内容：（1）基于WSN的定位网络的实现；（2）基于RSSI的软硬件定位算法的实现；（3）使用FPGA中的Nios II核通过UART对WSN进行控制。室内定位系统由6个参考节点和一个协调器组成定位网络，通过一条UART电缆连接到FPGA。当未知位置节点进入定位区域后，就可以通过WSN由FPGA计算出在区域中的位置。 3.2 Zigbee节点设计 Zigbee芯片选择：CC2430是一款符合Zigbee应用SOC解决方案。该芯片与IEEE802.15.4标准所定义的物理层和MAC层完全符合。该芯片非常适合应用在超低功耗领域，工作时的电流损耗仅为27mA，并且通过休眠模式和快速的模式转换进一步降低功耗。 Zigbee节点电路设计：Zigbee节点由CC2430芯片和外围电路组成。因为CC2430是Zigbee技术的单芯片SOC解决方案，所示只需要很少的外围器件，简化了电路设计。 3.3 定位网络设计 3.3.1 网络构成 本文是基于RSSI（接收信号强度）的定位系统，由协调器（Coordinator）、参考节点（REF1—REF6）和盲节点（Blind）组成。 (1) 协调器查询盲节点。在协调器建网成功后，协调器广播发送查找盲节点的信息。 (2) 盲节点单跳广播blast。在盲节点收到查询请求后，盲节点单跳广播8次blast信息，完成后分别向参考节点(单跳广播)和协调器（单播）发送blast结束信息。 (3) 协调器等待接收RSSI值。在协调器收到blast结束信息后，在2秒内等待接收参考节点发送RSSI值。 (4) 参考节点发送RSSI值。参考节点收到blast结束信息后将记录的8次RSSI取平均后发送给协调器。 (5) 协调器向上位机发送数据包。协调器收集完RSSI值后将数据按照一定的格式打包，发送给上位机进行定位。 3.3.2 协调器软件设计 在定位网络中协调器主要完成两个任务，一是与参考节点和盲节点交互获取RSSI数据；一是与上位机交互接收命令并返回参考节点接收到的RSSI数据。 3.3.3 参考节点软件设计 参考节点在定位网络主要的功能是接收并储存盲节点Blast信息，将8次Blast信息的RSSI平均值发送给协调器。参考节点需要接收盲节点的Blast信息和结束信息并且向协调器发送数据 3.3.4 盲节点软件设计 盲节点在定位网络中的功能是接收协调器查找盲节点指令，发送8次Blast信息，然后发送结束信息。 3.4 定位算法的硬件实现 根据定位算法中各部分不同的功能和运算量的多少对软硬件进行划分。 软件部分：因为指数函数用硬件实现起来不方便，并且考虑到CC2430使用一个8bit的寄存器存储每次接收信息的RSSI，因此我们在上位机中使用软件建立一个8*256的数组来表示RSSI和d的关系。这样就减少了运算量同时可以根据环境的变化方便的修改RSSI与d的对应关系。 硬件部分：硬件部分主要完成超定方程的运算。考虑到FPGA中有比较多的DSP资源，因此使用三个MAC进行并行运算加快算法的执行速度。循环次数可以根据外部输入进行调整，以减少不必要的运算。通过分析可知，系数可以不参与运算，只需要将最后结果右移一位。 算法执行过程如下 (1) ADD1和ADD2分别计算x1-xi和y1-yi并将结果存于REG； (2) MAC1、MAC2和MAC3分别计算Σ(x1-xi)(x1-xi)、Σ(x1-xi)(y1-yi) 、Σ(y1-yi)(y1-yi)得到a，b，c，d； (3) MAC1计算(x1+xi)(x1-xi)+(x1-xi)(y1-yi)+(y1+yi)(y1-yi)； (4) MAC2计算Σ(x1-xi)(x1-xi)*(第(3)步的运算结果)得到B1， MAC3计算Σ(y1-yi)(y1-yi)*(第(3)步的运算结果)得到B2，MAC2计算ad+(-b)c； (5) MAC2计算dB1+(-b)B2，MAC3计算dB2+(-c)B1； (6) 将第(4)、(5)步运算的结果放入DIV中运算，将除法结果放入输出寄存器，等待被取走
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的： 弥补室内定位领域的缺失，降低室内定位技术的成本。 基本思路： 在定位区域内事先放置数个位置已知的固定节点，当位置未知的盲节点进入定位区域，向固定节点发送无线电信号，通过接收信号强度计算出盲节点到固定节点的距离，进而算出盲节点的坐标。每隔一段时间固定节点将向上位机发送该位置温度数据，由上位机生成定位区域的温度分布图像 创新点： 1.采用集中式定位的方法，由一个定位引擎实现对各个节点的定位 2.本定位算法全部由硬件实现，有效地保障了系统的实时性 3.本设计在FPGA内部实现了两个NIOS II软核处理器，两者通过Altera Mutex进行通信。充分利用了双核协同工作的优势和逻辑、存储器资源，分担数据处理、外设访问、外围及内部逻辑控制等工作 技术关键： 1.采用自行研制的定位引擎硬件加速器，实现了无线定位算法中的关键模块——硬件加速，使系统的整体性能得到大幅提升，实现了实时定位 2.编写了linux字符型设备驱动，实现了uCLinux下设备打开、读写等简单操作 3.软件系统设计时为了使读取数据、显示定位信息、显示温度插值信息等同时进行使用了多线程编程技术，采用经典的“生产者消费者”模型进行设计 主要技术指标： 固定参考节点个数 >=3 固定参考节点间距 <=20m 移动盲节点个数 >=1 定位误差 ±1m 测温范围 -28~128°C 定位时间间隔 4s 采集温度时间间隔 40s
科学性、先进性
- 1.GPS卫星信号无法穿墙，一般只能用于室外环境。本设计相对于现有的室内定位方案成本低、精度高 2.采用集中式定位的方法，由一个定位引擎实现对各个节点的定位。相对于TI公司分布式节点的方案，本设计将具有比较明显的成本优势 3.定位算法全部由硬件实现，有效地保障了定位系统的实时性。相对于基于CC2431芯片的定位方案，本设计无论是定位速率还是盲节点的容量都具有显著的优势 4.现有室内定位系统中，RADAR系统的环境适应能力极差，当室内环境发生变化时需要重新建立数据库 5.Cricket系统利用超声波信号和射频信信号到达的时间差以及两种信号的速度计算出未知节点与参考节点的距离。我们的系统相对成本和精度都有优势 6.Active Badge室内定位系统是最早提出室内定位系统之一，他使用红外线技术进行室内定位，无法应用于复杂的环境中。我们的系统在此方面有极大优势
获奖情况及鉴定结果
- 鉴定：国家科学技术部查新报告 鉴定结果：在国内上述检索范围内，像本项目那样基于Zigbee技术采用集中式定位的方法，由单一的定位引擎实现对多个节点的定位，在定位算法的实现中使用硬件加速器，且在FPGA内部实现了双核架构并成功移植uCLinux操作系统的研究未见公开文献报道。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 协调器上电，通过串口线与FPGA相连。协调器建立网络后，依次将参考节点上电，加入网络。最后将盲节点上电，放入定位区域。开启FPGA。 技术特点和优势： 1.采用集中式定位的方法，相对于分布式定位多定位引擎方案，具有明显的成本优势。 2.定位算法全部由硬件实现，相对于基于CC2431芯片的定位方案，定位速率和盲节点容量都具有显著优势 3.双核设计，大核完成实时性强的应用，小核运行实时性弱的应用 适应范围及推广前景： 本设计提出了一套为用户提供室内地理位置服务（LBS）的解决方案，为将来地理位置服务及环境、人体信息远程采集等领域提供了技术基础。 市场分析和经济效益： 1.可用于大型商场、矿井、医院等机构。也可面向个人用户，例如监控社区内儿童的位置 2.成本低廉。应用于大型商场花费在100美元以内。 3.不涉及到现有定位方式的隐私和法律问题。 4.基于本设计还可建立更加丰富的应用，如加入血压、脉搏等测量模块。
同类课题研究水平概述
- 1 .定位领域 根据定位原理的不同，WSN定位算法主要分为两类：一是距离无关的定位算法，二是基于距离的定位算法。基于距离的定位技术定位精度较高，但是对传感器的硬件要求较高，容易受到温度、湿度、障碍物的等环境因素的影响。 现在国外已经提出了一些基于WSN的室内定位系统，其中有代表性的室内定位系统有RADAR，Cricket，Active Badge等。RADAR系统是利用“指纹识别”技术来定位，通过对室内环境建立射频信号“指纹”数据库，然后将未知节点“指纹”信息在数据库中查找，从而确定未知节点的位置信息。RADAR系统有易安装，基站少，采用无线网络的优点，但是该系统的环境适应能力极差，当室内环境发生变化时需要重新建立“指纹”数据库。Cricket系统是MIT提出的室内定位系统，利用超声波信号和射频信信号到达的时间差以及两种信号的速度计算出未知节点与参考节点的距离。然后比较未知节点与各个参考节点的距离，选择离自己最近的参考节点所在的房间作为自己的位置。Active Badge室内定位系统使用红外线技术进行室内定位。每个需要定位的物体上使用红外线发射器周期性的发送自身唯一的识别码，同时在每个房间里安装红外线接收器，接收器通过有线网络连接到控制中心。控制中心通过接收器接收到的物体识别码就可以确定每个物体所在的位置。 现在国内也提出了一些室内定位系统，主要是基于TI的CC2431芯片，使用该芯片自带的定位引擎进行分布式室内定位。 2. 环境监测 由大量互连的微型传感器节点组成的传感器网络与传统的环境监控手段相比，有三个显著的优势：一是传感器节点的体积很小且整个网络只需部署一次，对周围环境影响很小；二是传感器网络节点数量大。分布密度高，每个节点可检测到局部环境的详细信息并汇总到基站，因此传感器网络具有数据采集量大，精度高的特点；三是无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可根据物理环境的变化进行较为复杂的监控。 基于 ZigBee 技术的环境监测系统的目标是在无人值守的情况下，对局部范围进行实时监测。 3.本设计中定位算法全部由硬件实现，有效地保障了定位系统的实时性。相对于基于CC2431芯片的定位方案，本设计无论是定位速率还是盲节点的容量都具有显著的优势。
