基于室内定位的物联网实验平台开发

张娟　陈春梅　路锦正　李强

摘要：高校物联网实验平台的构建目前还处在探索阶段。本文针对当前复杂的室内环境，人们对定位的需求日益增大，设计并实现了一个具有专业特色和实践意义的物联网实验平台。该平台的硬件采用CC2430片上系统，定位算法是基于接收的信号强度（RSSI，Received Signal Strength Indicator）。该实验平台的作用表现在：①提供直观的演示功能，帮助学生理解物联网概念；②提供了无线传感器网络通信实验，有助于学生理解物联网各功能层的作用；③提供了无线定位功能，有助于学生理解定位算法的原理。

关键词：室内定位；物联网；无线传感器

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）12-0251-02

在物联网快速发展的潮流下，各个高校相继开设了物联网相关专业课程，同时也开始设计与之对应的物联网实验平台。但是，现阶段的高校物联网实验平台还处于探索研究阶段，甚至会经历更长时间的探索研究阶段，如何构建功能、技术完备的物联网实验平台，有效地实现物联网技术的实验研讨，推动物联网研究的发展，成为物联网开放实验平台构建的关键。当前，人们对复杂室内环境的定位需求日益增大，比如在仓库、超市、矿井等环境中，常常需要确定移动物体及设备的具体位置，因此，研究并开发一套关于室内定位的物联网实验平台十分必要。本文设计的《基于室内定位的物联网实验平台》受到了西南科技大学教学改革项目的支撑。

一、系统设计

本文实现的室内定位系统包括无线传感器网络和PC端后台处理程序两部分，其架构如图1。前端无线传感器网络采用3个参考节点、1个盲节点以及1个协调器节点的组合方式。“参考结点”是一个安置在已知位置的静态结点。盲节点位置信息未知，由定位系统确定其自身所在位置。协调器节点的主要作用是组建网络和对数据流的处理。PC端后台处理程序对从网络传回的数据使用相应算法进行定位处理。

整个系统完成一次定位通讯的基本过程如下：①协调器节点首先发起网络，各个参考节点按顺序依次加入网络，并分配相应的短地址；②盲节点加入网络并根据短地址判断，以确定需要给哪些参考节点发送数据包；③参考节点根据其所接收到的数据包解析出相应的链路质量信息包，并将接收到的值发送给协调器节点；④协调器节点将所接收到的数据信息解码并格式化后，以二进制数据的形式通过串口传送到PC端；⑤PC端的后台处理程序从串口读取由协调节点传回的信息，通过相应的算法流程对信息进行处理得到盲节点的坐标，并通过图形界面将盲节点的位置显示出来。

二、节点程序的设计

1.参考节点的设计。参考节点的工作流程如图2所示。参考节点会向协调器发送网络响应请求，根据回复的网络地址与其他节点进行通信，为了使参考节点省电，其每隔1s采集一次定位信息。参考节点主要参数有自己的坐标（xi，yi）和与其相对应的移动节点之间的RSSI值。当参考节点收到移动节点的RSSI请求命令以后，会自动收集数据链路质量信息，然后打包发送给移动节点，该数据包包括本身参考节点的坐标位置和RSSI值。

2.盲节点设计。参考节点的工作流程如图3所示。盲节点是基于CC2431芯片的节点，由于集成了定位引擎，可以很好的起到定位的目的。盲节点每隔一段时间发送收集RSSI值的命令给各个参考节点，在收集到大于等于3个参考节点的数据以后，会根据相应的算法计算出最优的参考节点，然后经过上位机的处理将坐标点的位置进行显示。在整个定位中，盲节点需要的定位参数有A和N值，这两个值可以通过预先设定或者通过上位机进行设置，在不同的环境中，A和N值是不同的，所以在定位的时候一定要调整好不同的A、N值，以达到更准确定位的目的。

3.协调器节点的设计。协调器节点的主要作用是组建网络和对数据流的处理。图4为协调器的程序设计流程图，协调器节点将网络启动状态通过串口传送给上位机，然后等待参考节点或者盲节点加入网络，如果有其他节点加入网络的时候，协调器会自动给它们分配一个十六位的网络地址，当其他节点发送数据过来以后，协调器会先分析数据流的命令，并打包成一种符合本设计协议的数据包，然后通过串口发送给上位机，上位机在接收到数据后进行处理。协调器在本设计中属于中转站的一个节点。

三、系统测试与分析

本设计做好以后，在实验室测量了三个参考节点，其坐标分别设定为（0，0），（10，0），（10，10），然后启动分别启动参考节点，并设置他们的坐标与之对应，然后启动盲节点，并将盲节点放置在（1，1），（3，3），（5，5），（7，7），（9，9）几个坐标点，并分别测定出他们的定位坐标值，其测定的坐标值分别为：（0.5，1），（2，3），（5，6），（7，6），（9，10）。在该测量中，数据会有一定的波动，最终选择最好的几个数据求平均值。在该测量中，A值取45，N值取20。上位机和实物图见图5。

四、结语

本文设计了一款基于CC2431的室内定位系统实验平台，通过该实验平台，学生可以完成移动目标身份识别、移动目标位置确定以及RSSI定位参数优化等实验，培养了学生对物联网知识、能力的综合素质。

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