室内场馆无线定位智能管理系统的设计

何沃林

摘 要：针对GPS室外定位技术在室内环境存在信号质量差、成本高、功耗大等缺点，文中设计了一种室内场馆无线定位智能管理系统，利用智能手机作为移动终端，由参考节点兼做监测节点，采用移动节点分布式计算定位结果，提高系统运行效率和网络资源的合理利用率。结合ZigBee、WiFi、蓝牙等传输模式，实现了在智能手机、移动管理终端（iPad）和固定管理终端（PC机）上对人员的双向定位及设备监测。测试结果表明，系统可以实现传感器数据的正确采集和传输，室内定位精度可满足场馆人员的定位需求。

关键词：无线传感器网络；ZigBee；人员定位；设备监测

中图分类号：TP39；TN929 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

物联网时代的到来使得无线传感器网络的应用越来越普遍[1]，我们可以在科技馆、展览馆、博物馆中，采用ZigBee技术组建无线传感器网络，并在室内相关区域部署参考节点，通过随身携带的移动节点对人员进行定位和设备监测，实现场馆的智能化管理。当前一些室内无线定位系统大都采用监控式的被定位方式，即由被定位者携带移动节点进入相关监测区域，通过测距和运行定位算法获得位置信息，且其只能在场馆管理终端的界面上显示，由管理人员进行监控，而被定位者则无法获知自身的位置信息[2]。如果在较大的空间和复杂的环境中，被定位者可对自身所处位置进行主动获取，那么室内导航将变得更为简单、准确。因此，可以将主动和被动定位方式相结合，设计出一种既可通过移动终端设备主动获知自身定位信息，又可通过本地或远程端监控定位的ZigBee网络双向定位系统。

1 系统的需求分析

室内场馆无线定位智能管理系统主要应用在各种大型场馆的人员定位、室内导航、设备监测、智能导览等方面，主要功能和技术要求如下：

（1）可以对观众和管理人员进行实时无线定位，节点间的有效通信距离不小于10 m，定位误差小于1 m，网络节点容量大、具有一定的抗干扰能力。

（2）观众和管理人员可通过手持移动显示终端，实时获取自身和其他人员的位置信息，还可以实现场馆导航、展品导览、信息查询、设备监测等功能。

（3）监测展厅的展品、设备的工作状态，温度、噪音等环境情况，同时将这些参数发送给服务器。

（4）移动节点可以独立完成自身位置坐标的计算，具有体积小、方便携带、耗电量低等优点。

（5）保存定位数据、设备运行参数、人员信息等，通过后台管理终端可对上述信息和数据进行统计和分析。

2 系统总体结构设计

室内场馆无线定位智能管理系统主要包括下位机-ZigBee定位系统和上位机-应用管理系统两部分。上位机由数据库、服务器、固定管理终端（PC机）、移动客户终端（智能手机）和移动管理终端（iPad）组成；下位机由ZigBee网络的三种设备构成，即移动、参考节点及协调器。系统总体结构如图1所示。

系统的工作原理和主要功能如下：

（1）由协调器、参考节点、移动节点组成ZigBee无线定位系统。协调器组网完成后，由于已知参考节点的对应位置，因此，移动节点（观众节点和管理员节点）进入监测区域后便开始广播，以获取参考节点的物理地址、RSSI数值。移动节点中的处理器独立计算出自身的位置坐标后，将这些定位数据发送给协调器，并通过网络传送到系统服务器[3]，从而获取观众和管理人员的数量和位置等信息。

（2）无线定位网络中的参考节点预先规划并固定安装在展厅的室内建筑和展品上，除可提供定位服务外，参考节点自带的各种传感器可收集展厅的温度、噪音和展品的工作状态等参数[4]，在设定的时间周期内通过协调器将数据发送给服务器。

（3）观众和管理人员登记身份信息后，每人携带的移动节点代码对应个人的身份信息，并由数据库保存移动节点代码与身份信息。

（4）观众携带移动节点进入场馆，使用智能手机通过WiFi或GPRS网络登录服务器，输入自己的移动节点代码，可以在电子地图上查看展厅的分布、路线、自身位置信息、其他观众和场馆管理人员的位置分布信息，并显示观众实际位置附近展品的导览信息，供观众选择浏览。当观众需要帮助时，可以通过按下移动節点的报警按键，通知场馆的管理人员提供帮助。

（5）为减少因为网络传输延迟对实时定位造成的影响，保证在没有 WiFi或GPRS网络的情况下系统可正常使用，定位数据传送采用蓝牙信号传输方式。随身携带的移动节点获取周围ZigBee参考节点的位置信息，处理器进行定位计算后，通过串口向蓝牙模块发送定位数据，完成蓝牙信号转换后，再向智能手机传递[5]。观众通过智能手机下载的客户端软件，可以在电子地图上查看展厅和展品的分布、参观路线、自己的实时位置信息，获取展品的导览信息。

（6）管理人员携带移动节点进入场馆，使用iPad等移动管理终端，通过WiFi网络登录服务器，可以在电子地图上查看自己、观众和其他管理人员的位置信息，以及观众的身份信息、求助观众的位置信息，还可监控展厅的温度、噪音等环境参数和展品的工作状态。

（7）数据库主要对定位数据、运行参数、人员信息、展品信息等进行保存，并对其进行组织分类，以提高系统的检索效率[6]。

（8）固定管理终端可以实时监控观众和管理人员的位置信息、观众求助信息，获取观众身份、时间和路线等数据和信息，监控展厅的温度、噪音等环境参数和展品的工作状态，通过对以上信息和数据进行统计和分析，为场馆运营提供有效的技术支撑和管理手段。

3 系统无线定位工作流程

系统无线定位工作流程如图2所示。

（1）系统上电初始化，协调器组建一个ZigBee网络；

（2）所有参考节点加入网络，并完成配置；endprint

（3）参考节点完成模型自适应，并校准模型的所有参数[7]；

（4）移动节点加入网络，完成配置。移动节点发送定位广播信息，每间隔20 ms进行8次RSSI“广播发送”和1次RSSI“请求发送”；

（5）参考节点接收移动节点发送的8次RSSI广播后，把接收到的RSSI广播信号强度转化为RSSI值，然后将8次RSSI广播之后获得的量化值，通过高斯滤波处理求平均值[8]。当参考节点接收到RSSI请求后，就向移动节点反馈 RSSI 平均值、环境参数、自身坐标等信息；

（6）移動节点按RSSI值的大小对各参考点信息进行排序，丢弃无效数据，保留有效的3～8个参考节点信息，完成一次定位信息的搜集，定位周期为 1 s；

（7）移动节点把一个定位周期内接收到的参考节点的定位信息发送给内部定位运算处理器，按照运行设定的定位算法，计算出自身的位置信息[9]；

（8）移动节点将自身位置信息通过协调器发送到上位机服务器， 通过B-0004蓝牙模块将位置信息发送给智能手机；

（9）根据接收到的移动节点位置信息，在智能手机、移动管理终端（iPad）和固定管理终端（PC机）的电子地图上，不但可以看到自己的实时位置信息，还能看到其他观众和场馆管理人员的位置分布信息；

（10）参考节点上的传感器定期把展厅的环境参数和展品的运行数据通过协调器发送给服务器，并在固定管理终端的界面上显示，也可以通过登录iPad等移动管理终端查看。

4 移动终端的室内无线定位功能实现

以Android系统的智能手机为例，介绍了移动终端室内无线定位功能的实现方法。

4.1 移动节点与Android系统智能手机的通信

Android手机的客户端启用蓝牙适配器，搜索到B-0004蓝牙模块后与其配对，输入配对密码后，设备连接成功。Android手机与B-0004蓝牙模块连接成功后，启动已连接线程就可以进行信息交互，完成数据的侦听和处理。

4.2 Android手机电子地图的载入

室内场馆电子地图的载入可以方便用户直观地看到自身所处位置，从而快速到达目的地。Android系统最常用XML配置文件生成界面。电子地图载入在Android系统的floorView类中实现，当载入了两层楼的建筑平面图时，以Tab标签的形式在同一个界面显示，把view1设置为一楼平面图，view2设置为二楼平面图，并作为Tab页面背景嵌入到程序中。

4.3 数据的通信格式

Android手机、移动节点和ZigBee无线定位网络定义了相同的通信格式，其定义的消息帧如图3所示。

4.4 定位人员位置显示

Android手机根据移动节点发来的定位坐标、建筑平面图规格和屏幕尺寸，在电子地图上显示出定位人员的相应位置。在XML文件的picflash类中实现定位人员位置在电子地图上的绘制。定位人员的图标是一个预先设置好的ImageView，以建筑平面图为背景，通过程序将其放置在界面的特定位置。通过接收蓝牙模块发来的定位数据，刷新节点坐标，设置地图刷新标识，通过picflash类重新绘制节点位置，实现地图刷新[10]。人员在一楼和二楼的位置显示效果如图4所示。

5 系统测试

5.1 参考节点的传感器测试

参考节点除提供定位数据外，还可通过自带的传感器收集设备运行和环境参数等数据并发送。通过在三个不同参考节点上分别安装数字温度、湿度和光敏传感器，并定期发送传感器数据，经ZigBee网络上传至服务器后，可在专门的计算机监控软件上对传感器数据进行显示。参考节点的传感器数据测试效果如图5所示。

通过对比监控软件上显示的传感器数据与实地测量数据，可知实际误差小于10%。测试结果表明，参考节点可以实现各种传感器数据的采集以及数据的正确传输。

5.2 系统定位效果测试

在东莞科学馆展厅的10 m×15 m区域进行了实地测试，参考节点间距为5 m，移动节点可以在参考节点包围的区域内任意移动，通过对不同位置的移动节点进行20次测量，得到了图6所示的测量结果。

由实测结果可知，当参考节点间距为5 m时，有效定位区域内的多数位置点定位精度均能达到1 m以内，基本满足了场馆人员的定位要求。

6 结 语

本文设计的场馆无线定位智能管理系统通过组建无线传感器网络，结合WiFi、蓝牙等多种传输方式，实现了在智能手机、管理终端上对人员的双向定位和设备监测。如果为智能手机内置ZigBee模块，把移动节点的功能整合到智能手机里，那么无需另外携带移动节点，就可直接通过智能手机连接ZigBee网络，利用智能手机自带的操作系统和强大的处理能力，收集和传送定位数据，运行定位算法后，直接在智能手机上显示定位位置，在加快系统效率的同时减少了网络延迟。

参考文献

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[2]刘小康.ZigBee无线网络室内双向定位系统的研究[D].南昌：南昌大学，2013.

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[5]钱志鸿，杨帆，周求湛.蓝牙技术原理、开发与应用[M].北京：北京航天航空大学出版社，2006.

[6]叶子.博物馆移动导览中的综合性室内定位方法研究及系统实现[D].杭州：浙江大学，2015.

[7]孟东阳，何秀凤，桑文刚.基于无线网络传感器的定位技术研究[J].电子测量技术，2012，35（9）：4-9.

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[10]陈画梅.智能火灾定位与搜救终端的设计与实现[D].武汉：华中科技大学，2012.endprint