（计算机软件与理论专业论文）室内定位感知系统的设计与实现.pdf

摘要 随着计算机以及嵌入式技术的发展，人们进入了普适计算时代。在普适计算时 代，人们可以获得随时随地的服务。为了实现普适计算的目的，关键是获得用户的 位置信息。室外定位技术已经相当成熟，例如：g p s 定位、手机定位、伽利略卫星 导航定位等，它们能够很好地满足室外定位的要求，但是由于室内环境的复杂性， 室外定位技术很难应用到室内。随着信息技术的发展，人们迫切需要室内定位。 本文设计了一种基于超声波传感器和射频技术相结合的室内定位感知系统。超 声波定位技术具有定位精度高、电路结构简单、成本较低等各种优点，因而在测距 以及定位系统中得到了广泛的应用。论文详细论述了该系统的设计原理、总体设计 方案，包括硬件、软件、通信接口、算法设计，以及开发过程中需要的各种软硬件 工具。整个系统分为控制电路、超声波收发电路、射频信号收发电路、通信接口电 路等部分，对各个硬件部分都给出了原理图并进行了分析。定位系统的程序是采用 c 语言编写的，使用t o a ( t i m eo f a n i v a l ) 测距定位算法。论文设计了系统的电路板， 并进行了实验验证。 实现室内定位，关键是为人们提供更好的服务，最后提出了几个应用室内定位 感知系统的实例。通过定位感知系统得到位置信息，将其用于家庭中灯光的控制， 老人和小孩的照护以及家庭中各种家电的控制。 关键词：普适计算；室内定位；超声波传感器；定位感知 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n de m b e d d e dt e c h n o l o g y , u b i q u i t o u sc o m p u t i n g a g ei sc o m i n g i nt h eu b i q u i t o u sa g e ，p e o p l ec o u l dg e ta l lk i n d so fs e r v i c e sa n y w h e r ea n d a ta n yt i m e i ti s n e c e s s a r yt ok n o wt h eu s e r s l o c a t i o nf o ra c h i e v i n gt h eg o a lo f u b i q u i t o u sc o m p u t i n g t h eo u t d o o rp o s i t i o n i n gh a sa l r e a d yb e e nq u i t es o p h i s t i c a t e d ，s u c h a sg p s ，m o b i l et e l e p h o n ep o s i t i o n i n g , t h es a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e mo f ”g a l i l e o ”，a n ds o o n t h e yc a np r o v i d e9 0 0 ds e r v i c e sf o rp e o p l ei nt h eo u t d o o re n v i r o n m e n t b u tt h e i n d o o re n v i r o n m e n ti sv e r yc o m p l e x ，t h e s eo u t d o o rp o s i t i o n i n gs y s t e m sc o u l db eu s e d h a r d l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , n o w , p e o p l en e e du r g e n t l yt h e i n d o o rl o c a t i o n w ed e s i g na ni n d o o rl o c a t i o ns y s t e mb a s e do nu l t r a s o n i cs e n s o ra n dr a d i of r e q u e n c y t e c h n o l o g y t h eu l t r a s o n i cp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yh a sm a n ym e r i t so fh i g hp o s i t i o n i n g a c c u r a c y , s i m p l ec i r c u i t s t r u c t u r ea n dl o wc o s t t h e r e f o r e ，i ti sa p p l i e dw i d e l yf o r m e a s u r i n gd i s t a n c ea n dp o s i t i o n i n ga r e a t h ep r i n c i p l ea n dt h ed e s i g no ft h es y s t e ma r e d e t a i l e d l yd e s c r i b e d t h es y s t e mc o n s i s t so ft h es i n g l ec h i pc i r c u i t ，t h ec i r c u i to f u l t r a s o n i c ，t h ec i r c u i to fr a d i of r e q u e n c ys i g n a l ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ta n ds o o n t h e ya l ea l ld e t a i l e d l yd e s c r i b e d i ti sp r o g r a m m e di ncl a n g u a g e w eu s et h et o a a l g o r i t h mt oc a l c u l a t et h ec o o r d i n a t eo ft h eu s e r s ，a n dd e s i g nt h ec i r c u i tb o a r do ft h e s y s t e ma n dm a k et h ee x p e r i m e n t t h eg o a lo ft h ei n d o o rl o c a t i o na w a r es y s t e mi st og i v ep e o p l ea l lk i n d so fs e r v i c e s i nt h ee n d ，w ed e s i g ns e v e r a li n d o o rl o c a t i o nb a s e ds e r v i c es y s t e m s t h el o c a t i o nw h i c h t h el o c a t i o na w a r es y s t e mp r o v i d e si su s e dt oc o n t r o lt h el i g h t s ，l o o ka f t e rt h ec h i l d r e n a n dt h eo l dp e o p l ea n dc o n t r o lt h ea i rc o n d i t i o n i n g ，t e l e v i s i o na n ds oo n k e yw o r d s ：u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ；i n d o o rl o c a t i o n ：u l t r a s o n i cs e n s o r ；l o c a t i o n a w a r e 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名2 杠诙烟 日期：川年歹月f 汨 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密嘭 ) 日期：和0 7 年r 月j 口日 醐：叫年厂月l 。日 所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 6 1 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的发展，人们的r 常生活也发生了巨大的变化。通信技术以及各 种电子设备的使用，传统的计算模式已经不能满足人们的需要，人们希望能够随时 随地享有所需要的服务。普适计算( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g 或p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 的目标就是通过使计算机融入人们的生活环境，为用户提供更好的服务，而这些计 算机对用户是完全透明的n 。 1 1 普适计算概述 几十年前，计算机对多数人来说还是陌生的、神秘的电子仪器，只有少数人能 够掌握它的原理及其操作。随着个人计算机的普及，计算机已经走进了千家万户， 我们可以在实验室、办公室等许多地方使用计算机。计算机已经进入了人类生活的 各个领域。普适计算中的基于位置的服务是普适计算研究的核心部分之一口，。 从第一台计算机的诞生到如今各种计算设备随处可见。纵观计算机的发展，我 们可以清楚地发现，计算模式已经经历了主机计算和桌面计算两个时代，今天随着 网络技术的发展，特别是无线网络的发展，我们正进入普适计算时代h 1 。 在主机计算时代，计算机是非常稀缺的资源，多个人相互协作操作计算机，通 常是很多研究人员经过终端访问主机，计算机安装在洁净的计算中心里，研究人员 必须使用机器语言与计算机进行交互。计算机的应用也局限于科学计算领域，很多 人是没有机会使用计算机的，当时计算机是很神秘的设备。 2 0 世纪8 0 年代，个人计算机开始流行，计算模式也随之进入了桌面计算时代。 这时，人们可以拥有自己的计算机。特别是图形桌面以及多媒体技术的应用，使计 算机走进了千家万户以及各种办公场所，人们能够方便地使用计算机。计算机对于 人们已经不再陌生。 普适计算的目的就是通过使用各种计算设备向用户提供各种各样的服务，为用 户提供更多的便利，并且在物理环境中，这些计算设备对用户是透明的瞄1 。m a r k w e i s e r 在2 1 世纪的计算机一文中这样描述：计算机硬件技术的飞速发展以及无 线通信技术的不断成熟，造就了新一代普适计算的典范。普适计算设想这样一种计 算环境：人们生活在一个充满各种各样的计算型器件当中，这些器件通过有线或无 线网络的完全互连。普适计算的关键技术是看不见的技术，是那些融入日常生活并 消失在日常生活中的技术1 。 普适计算将使计算和信息服务以适合人们使用的方式普遍存在于我们的周围， 以往相互隔离的信息空间和物理空间将相互融合在一起。在这个融合的空间中，人 1 青岛大学硕士学位论文 们可以随时随地、透明地获得计算机系统的服务。从而极大的提高个人的工作及与 他人合作的效率，为人们提供周到的服务。普适计算可以用到卫生医疗、小区管理、 环境监测、智能交通、突发事件管理、工程管理等各种领域1 7 j 。 从前计算是以机器为中心，人们必须服务于机器。未来计算机将普遍存在，普 适计算将以人为中心，服务于人。普适计算最核心的内容在于以人为中心1 8 j 。在普 适计算环境中，各种计算设备需要自动感知环境中对象的各种信息，预测和响应用 户的各种服务要求。因此，上下文感知在普适计算环境中起着重要的作用【9 j 。上下 文感知计算系统能够利用传感器输入的信息以及通过其他各种渠道得到的信息推断 周围环境，并相应地改变自己的行为，主动适应用户的需求和工作的变化。 a b o w d 等人通过抽象，把上下文概括为“5 w ，即“w h o 、w h a t 、w h e n 、w h e r e 、 w h y 。w h o 表示谁在与系统交互。在上下文环境中，可能室内有很多人，但是每 个时刻系统只与一个人进行交互，这里w h o 仅仅指正在要求服务的人。w h a t 在用户 与当前系统的交互过程中，系统认为用户正在做什么或者即将要做什么，系统必须 具备这样的功能，才能够进一步为用户提供所需要的服务，该项功能实现起来比较 复杂。w h e r e 表示位置信息，是上下文的重要内容，位置信息是人们研究上下文环 境的基础，人们的很多活动都是跟位置有关的，位置信息在上下文环境中具有重要 的作用。w h e n 表示时间，用户在特定的时间正在做什么，需要做什么，人们的行为 也是跟时间有关系的。w h y 对于计算机来说，理解w h y 比理解w h a t 更加困难。表示 为什么系统要为用户提供该项服务，可以通过对传感器获得的信息进行推理，或者 用户提前设定，从而得到其中的原因信剧1 0 , 1 1 j 。 上下文计算应用系统的行为是由环境中物体的位置决定的，而这些位置信息是 位置感知计算系统提供的，所以研究位置信息具有重要的作用。 1 2 室内定位感知研究现状 现在室外大多都利用g p s 进行定位，室外定位系统很好地满足了室外定位的需 要。但是在进行室内进行定位时，由于信号穿透建筑物的墙壁后，信号强度变得非 常弱，并且室内障碍物较多，环境比较复杂，因此室外定位系统在用于室内定位时， 定位的精度不能满足用户的需求，甚至不能进行定位。 随着计算机软硬件技术的发展，目前国内外已经开发出了一些室内定位感知系 统的雏形，关于室内定位技术己有许多试验方案，但是它们解决问题的侧重点不同， 下面对它们作简单的介绍1 1 引。 a c t i v eb a d g e 是一个非常有名的室内定位感知系统，由o l i v e t t i 研究实验室开发 研制。它使用红外线定位技术，每一个需要定位的人员佩戴一个红外发射器，每隔 一定的时间，发射器发出一个具有唯一身份的标识码。该系统需要在每一个房间放 2 第一章绪论 置红外线接收设备，接收设备接收到信息之后，通过运算计算出入员的位置。由于 采用红外线技术，a c t i v eb a d g e 在定位时容易受到光照等条件的影响，另外红外线 的有效距离较短，房间存在一些盲区，接收设备不能够正确接收到红外线，限制了 它的进一步使用。 a c t i v eb a t 是由a t & t 研究所开发的一个室内定位感知系统，它是使用超声波 技术实现室内定位。a c t i v eb a t 系统由控制器发出电波信号，接收设备收到电波之 后，发出超声波脉冲。超声波接收器计算超声波在空气中传播的距离。然后控制器 将这些数值送到服务器，通过服务器计算出被定位人员的准确位置。a c t i v eb a t 系 统可以在9 5 的概率下将定位误差控制在9 c m 之内。a c t i v eb a t 系统需要布置大量 的超声波接收传感器，因此大大提高了它的实施费用，实施也比较麻烦。 r a d a r 是由微软公司开发的室内跟踪定位系统，基于i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技 术。该系统把信号强度作为计算发射器与接收器之间距离的依据。r a d a r 能够在 5 0 的概率下将定位误差控制在3 米以内。但是室内环境比较复杂，金属器械的使用， 将会降低定位的精度，并且只能实现二维定位，必须要求每个设备都支持无线局域 网【1 3 l 。 c r i c k e t 是对a c t i v eb a t 系统改进之后的系统，也是使用超声波实现定位，通过三 角测量计算位置坐标，但是它不要求固定大量的传感器，定位以及计算是在移动设 备上进行的。定位精度比a c t i v eb a t 系统略差，移动设备耗电量比较高。 目前我国从事室内定位技术研究的机构主要集中在科研院所和高校，研究内容 包括基本的定位方法、各种定位算法等。复旦大学提出了室内c d m a 用户定位方 法以及基于接收信号强度测量的室内定位算法；中国科学院地理科学与自然资源研 究所从事室内定位的普适计算等技术的研究；清华大学成立了普适计算重点实验 室，并且开发了s m a r tc l a s s r o o m 项目：北京大学成立了普适计算实验室，目前开 展的研究侧重在开发和设计通用的信息访问和传送平台，自适应代理系统的结构。 1 3 室内定位感知的研究意义 普适计算的目的是为人们提供各种各样优质的服务，而人们所处的位置信息是 判断提供何种服务的重要信息之一。目前室外定位已经有g p s 和手机定位等定位系 统，但是由于室内环境的特殊性，要求提供更高精度的位置信息，室外定位系统难 以达到室内定位的要求。因此，研究室内定位感知系统，是一个非常重要的研究课 题。只有开发出适合于室内的定位感知系统，普适计算中的其它问题才能够较好地 解决1 4 1 。 现今人们越来越需要各种位置服务，其应用大部分都是用于户外定位，随着技 术的不断发展，计算能力不断增强以及硬件越来越小型化，用户可以随时随地使用 3 青岛大学硕士学位论文 它们，室内位置服务也变得越来越重型。 随着通信业务和数据业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤 其在复杂的室内环境，如医院、机场、会展大厅、仓库、超市、图书馆、地下停车 场等环境中，常常需要确定各种人员在室内的啦置。但是受定位时间、定位精度以 及室内复杂环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地使用。 室内定位可以用于智能环境以及人机交互过程中。机器人做家务，必须能够准 确辨别自己的方位否则机器人将永远干不好主人需要的家务。与那些在户外工作的 机器人不同，在室内活动的家用机器人无法接收到全球定位系统g p s 发出的微弱的 卫星信号，因此使得人们设计出的这类机器人不能够很好的满足需要。 随着移动设备和网络技术的发展，位置服务在我们的生活中越来越重要。只有 开发出性能优越的室内定位感知系统，位置服务才能够全面、完整的实现。 1 4 本文主要研究内容及章节安排 室内定位已成为一个新的研究课题。针对室内特殊的环境，对各种定位技术进 行了分析，在各种定位技术中，超声波不论在定位精度还是成本方面都具有较大的 优势，又结合射频技术，提出了一种基于超声波和射频技术为支撑的室内定位感知 系统。位置在上下文感知中是最重要的信息之一，在研究室内定位的基础上，最后 提出了几个应用室内定位感知系统的实例，为人们提供更好的服务。 第一章简要介绍了普适计算的概念，室内定位技术的研究现状以及研究室内定 位的意义。 第二章介绍了室内定位的一些技术及其在定位中采用的各种算法，系统开发所 需要的各种开发工具。 第三章在通过研究室内各种定位技术的基础上，提出了基于超声波以及射频技 术相结合的室内定位感知系统的结构，并进行了室内定位感知系统的硬件以及软件 设计、通信设计、上位机程序的设计。 第四章是室内定位感知系统的具体实现，详细论述了室内定位感知系统各个节 点的实现，并进行了实验测量分析。 第五章提出了几个应用室内定位感知系统的实例，通过位置信息可以用于家庭 中灯光的控制，老人与小孩的照护以及家庭中各种家电的控制。 最后是对本文提出的室内定位感知系统方案进行了总结以及对未来工作的展 望。 4 第二章室内定位感知理论 第二章室内定位感知理论 虽然室内定位技术与室外定位技术都足完成对目标物体位罱的确定，但是室内 定位有其自己的复杂性以及特殊的要求。由于室内环境非常复杂，空间范围较小， 对定位精度要求非常高。室内信号比较弱，并且对于无线信号容易造成严重的反射 现象，室内定位受到大量人为因素的影响，不同的室内摆设是不同的，这都会造成 传输出现较大损耗，甚至可能出现盲区，室内人员的频繁移动没有规律可循，对信 号传输都会造成干扰，所以对定位的技术以及算法要求较苛刻。同时，室内定位的 场合也决定了对定位设备要简单化、功耗小，对室内其他设备不造成干扰1 1 5 , 1 6 。 2 1 室内定位感知概述 上下文在普适计算中是极其重要的一个概念。位置是上下文中研究最多的部 分。通过位置感知应用，提供给用户有用的服务，例如自动转接的电话系统、在办 公室中自动更新描述用户位置的地图等。 室内定位感知系统的基本原理图如图2 1 所示： 图2 1 室内定位感知系统基本模型 如果需要根据位置提供服务，可以把位置感知系统计算的结果传送给服务系 统，为使用者提供相应的服务。 定位感知系统得到位置数据之后，可以为人们提供更舒适的服务。室内定位感 知系统应用非常广泛，可以用于智能环境中，通过位置对各种设备进行控制。在家 庭中，可以用于对老人以及小孩进行照护。可以用于大型场所的定位，例如在飞机 场，可以对每个工作人员进行定位，实时了解工作人员的位置。在医院环境中，可 以对医生进行定位，查看医生的工作情况。 5 青岛大学硕士学位论文 2 2 室内定位感知技术 现在可用于定位感知的室内定位技术有很多种，根据实际应用环境、要求达到 的精确度以及成本等因素j 以选择不同的技术。 ( 1 ) 超声波定位感知技术 超声波定位技术可用于一定范围的无接触式定位，定位精度比较高，可以达到 几厘米的精度。超声波技术由于结构简单、成本较低、易于实现，以及超声波收、 发探头价格低廉，因此被人们广泛应用于测距以及定位系统中。超声波在测量距离 时通常把超声波脉冲发送至被测物体，当声波从被测物体返回至超声波发送端时， 记录超声波在空气中传播的时间，超声波在空气中以比较低的速度传播，速度大约 为3 4 0 m s ，根据回波与发射波的时间差计算出被测目标物体距离超声波发射节点的 距离m 1 。 我们在室内定位感知系统的研制中采用超声波定位技术实现室内定位的要求， 但是超声波发射之后，能量会降低，在实现时不采用反射测距法而是用单向测距法， 即由被测物体发射超声波，然后由固定的超声波接收节点接收超声波，根据测量的 距离值，结合特定的算法，计算被测物体位置。超声波在定位时容易受到温度的影 响，以及容易造成反射现象，这也给超声波定位带来了较大的困难。 ( 2 ) 室内g p s 定位感知技术 g p s 定位系统在室外定位时，可以很好地满足人们的需要，但是当g p s 在室 内工作时，由于信号受建筑物以及室内环境中各种物体的影响，信号变得非常弱， 要想达到与室外一样的信号强度是非常困难的。为了得到较高的信号灵敏度，就需 要增加大量的辅助设备，a g p s ( a s s i s t e d g p s ) 技术为这个问题的解决提供了可 能性。但是，室内环境比较小，一般不会超过1 0 米的长度，为了很好地区分被定 位的物体，定位精度必须非常高，但是室内g p s 定位系统在定位时，可以达到5 m 3 0 m 的定位精度，定位精度不能够较好地满足室内定位的要求，对于室内g p s 定位系统，仍需要进一步改进【1 8 】。 ( 3 ) 红外线技术 红外线技术通过在一定的时间间隔内发射红外线信号，然后红外线接收器接收 这些红外线，按照到达时间算法或到达角度算法计算被定位物体的位置。红外线是 直线传播、短距离信号传播，容易受太阳光干扰且精确度不是很高，很难应用在室 内定位感知系统中。该系统要求被定位物体与红外线发射器之间线性可视，这就把 它的应用局限到了仅室内的范围且须保证所监测的目标是不透明的。在使用红外线 6 第二章室内定位感知理论 定位时，需要在每个房间以及走廊安装红外线接收器，造价比较高。红外线定位技 术也被应用于机器人系统，通过固定的红外线摄像机和很多红外线发光设备一系列 协同工作，达到定位的目的。 由于红外线不能够穿透障碍物，并且定位精度差，其配备要求比较复杂，所以 红外线实现室内定位没有被广泛使用。 ( 4 ) 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 该技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，支持点到点、点到多点的话音和 数据业务。可以实现不同设备之间的短距离无线互联。在室内安装适当的蓝牙局域 网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，就可以获得用户的位置 信息，实现利用蓝牙技术定位的目的n 9 1 。 使用蓝牙技术实现室内定位其优点是容易发现设备且信号传输不受视距的影 响，设备体积小，容易嵌入到手机等设备中，缺点是目前蓝牙器件和设备价格比较 昂贵，传播距离较短，容易受噪声干扰。 ( 5 ) 基于w l a n 的室内定位技术 使用无线局域网技术实现室内定位，需要在室内区域安装适量的无线基站，并 且这些基站的位置是已知的。通过使用一组相互间可以通信的基站，并且通过测量 它们之间接收信号强度指示( r s s hr e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) 、信号到达 角度( a o a ：a n g l eo f a r r i v a l ) 、信号到达时间差( t d o a ：t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 或者信号到达时间( t o a ) ，来进行用户的定位。在该系统中，每个用户和固定的 一组基站进行通信，基站通过测得的r s s i 或者t o a ，a o a 来计算用户的位置【2 0 】。 这类系统可以利用现有的无线局域网设备，只需要几个基站。该系统的缺点是 设备费用比较高，并且所有的设备必须支持无线局域网标准，定位精度不是很高。 ( 6 ) u w b ( u l t r aw i d eb a n d ) 定位技术 u w b 是一种新的无线通信方式。u w b 频带非常宽，使用几g h z 的带宽。u w b 在民用领域还是一项新技术，f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 直到2 0 0 2 年才放开u w b 的民生用途，因此受到人们很大的关注。u w b 技术的应用主要定位 于短距离无线通信、短距离室内定位等领域。u w b 具备精确定位的功能，可以提供 精确定位能力。 u w b 超宽带无线定位技术脉冲持续时间极短，具有较强的时间、空间分辨率， 具有抗多径干扰、穿透能力强等优势，所以可以应用于移动或者静止物体以及人的 定位跟踪，能够提供十分精确的定位精度。缺点是开发系统的成本比较高，进一步 限制了在室内环境的使用。 7 青岛大学硕士学位论文 ( 7 ) 射频识别技术 射频识别技术利用射频信号进行收发双方非接触式通信以达到定位以及识别的 目的。射频信号可以穿透障碣物，在室内环境可以达到很远的距离。它可以在几毫 秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。射频识别定位系统 有相互通信的基站组成，通过信号强度或者到达时间算法进行定位计算。优点是标 识的体积比较小，造价比较低，缺点是定位精度较超声波定位精度差【2 。 ( 8 ) 计算机视觉 计算机视觉常用于机器人定位。使用计算机视觉进行室内定位时，需要大量的 计算机图像处理的知识，计算机处理的速度以及算法的效率要求比较高，并且定位 的精度比较低，现在很少使用该技术进行室内定位。 以上是几种使用比较多的室内定位技术，在具体使用时，需要根据实际情况， 定位精度的要求以及成本等方面的限制进行选择，或者组合应用，使用两种或多种 技术进行定位系统开发。 不同的定位技术所能够达到的定位精度、所要求的各种指标以及所需要的成本 是不同的，表2 1 对几种定位技术进行了简单的对比。表中的第一列是至今已经开发 出的定位系统f 捌。 表2 1 定位技术对比 定位系统技术精度 价格类型 a c t i v eb a d g e s 红外线 只能用于房间价格低室内被动 a c t i v eb a t s 超声波传输时间 9 厘米( 9 5 ) 价格中等 室内主动 c r i c k e t 超声波传输时间4 4 英尺( 1 0 0 )价格中等室内被动 r a d a r 8 0 2 1 1 砒叶言号强弱 3 - 4 3 米( 5 0 ) 无线网卡室内主动 p i 】n p o i n t3 d i d r f 到达时间差 1 3 米 价格较高室内主动 e a s yl i v i n g 计算机视觉非常不确定3 个摄像机室内主动 u b i s e n s el 江u w b1 5 厘米1 5 0 0 0 0 美元室内主动 定位的类型分为主动型和被动型。所谓主动型是指被定位用户或设备发射信号， 系统根据接收其发射的信号判断被定位物体的位置；而被动型是指系统的固定设施 发射信号而由被定位的人或者物体接收固定设施发射的信号。 8 第二章室内定位感知理论 图2 2 主动设备和被动设备 在图2 2 中，左面的图形为主动型设备示意图，右边的图形为被动设备示意图。 不管是g p s 定位技术还是利用无线传感器网络或其他定位手段进行定位都有其 局限性。未来室内定位技术的趋势是卫星导航技术与无线定位技术相结合，将g p s 定位技术与无线定位技术有机结合，发挥各自的优长，则既可以提供较好的精度和 响应速度，又可以覆盖较广的范围，实现无缝的、精确的定位。 2 3 室内定位感知算法 在室内定位中，定位算法的分类主要有以下几种： 根据定位过程中是否测量实际固定节点间的距离，室内定位算法分为距离相关 定位算法和距离无关的定位算法。距离相关定位算法需要测量相邻固定节点间的绝 对距离或每个固定节点的坐标，然后根据该节点间实际距离或者各节点的坐标确定 被定位节点的位置。距离相关定位方法通过测量节点问的距离或者坐标，使用三边 测量计算节点位置；距离无关的定位算法则仅利用节点问距离关联关系计算被定位 节点的位置。 根据定位过程是否使用信标节点分为基于信标节点和无信标节点定位算法。基 于信标节点定位算法以信标节点为参考点，定位产生绝对坐标系统；无信标节点定 位算法根据节点间相对位置，各节点以自身作参考点，将附近节点纳入自身的坐标 体系中，最后将相邻坐标系统依次转换合并产生整体相对坐标系统乜副。 不管是采用三边定位法、三角定位法，还是采双曲线定位法，都需要估计被定 位物体到固定参考点的距离。测距过程与室内定位的过程是紧密相关的。一般地， 发送方与接收方之间的距离能够部分地决定信号的传输特征。如果这些特征能够在 接收方被测量出来，那么这些特征能够为定位服务。其中最重要的特征有：接收信 号强度指示( r s s i ) 、到达时间( m ) 、到达时间差( t d o a ) 、到达角度( a o a ) 。 ( 1 ) t o a 算法 如果信号的传播速度已知，到达时间利用了传输时间与距离的关系。假设发送 方和接收方都知道信号传输开始的时间。接收方可以利用信号到达的时间来计算信 号在介质中的传播时间，然后再计算传播距离【z 5 1 。 9 青岛大学硕士学位论文 根据传输介质的不同，t o a 要求较高精度的时钟，以获得可以接受的估计精度。 对于声波，仅要求中等的时钟精度，对于无线电波，由于速度非常快，时钟精度的 要求就非常严格了。在室内定位过程中，被定位物体可以根据到达固定节点的距离， 计算被定位物体的坐标位置，或者彼定位物体根据与信标节点的相对角度，计算波 定位物体的位置。确定被定位物体与信标节点之间的距离，可以采用三边定位法。 在平面上，三边定位法就是测量待测点到3 个不在同一直线上的参考点的距离。 根据估计的三边距离，再结合参考点的位置，待测点的位置就在3 个圆的交点上。 若己知三个小标节点a 、b 、c 的坐标分别为瓴，咒) ，瓴，y ：) ，纯，儿) ，它们 到被定位节点d 的距离分别为么，d ，d ，如下图所示： c 图2 3 三边测量法 假设d 点的坐标为( x ，y ) ，根据节点之间的关系可以得到下面的方程组。 o 一毛) 2 + ( y y 1 ) 2 ( x - x 2 ) 2 + ( y - y 2 ) 2 o 一毛) 2 + ( y y 3 ) 2 2 - ( 1 ) 根据公式2 ( 1 ) 可以计算d 点的坐标为： 刚装二魏甜暖：篓宅| 】 2 也， 由公式2 ( 2 ) 可以计算出被定位节点的坐标。这种定位法可以达到较高的定位精 度，但由于需要严格的时钟同步，这在很大程度上增大了设备实现的复杂度。 ( 2 ) t d o a 算法 t o a 要求待测点与参考点的精确同步。为了避免这种外在的同步要求，可以采 用到达时间差( t d o a ) 方法。这种方法利用了内部的同步，这个同步就是信号传 输开始的瞬间，接收方知道这个瞬间就可以了。 t d o a 测距技术被广泛的应用在无线传感器网络的定位方案中。通过记录两种 1 0 第二章室内定位感知理论 不同信号的到达时间差异，基于已知信号传播速度，直接把时间转化为距离删。 在使用t d o a 算法进行定位的过程中，很多时候都是使用双曲线模型。在进行 定位时，可以取得定位节点到两个参考节点的距离差。双曲线定位法由3 个参考点来 确定待测点的位置。形成双曲线的几何原理是：到两个固定点距离差为常数的动点 的轨迹，是以这两个固定点为焦点的双曲线。平面上两条双曲线就可确定一点。结 构示意图如图2 4 所示： a 图2 4t d o a 双曲线模型 节点a 、b 、c 为接收节点，坐标分别为“，m ) ，亿，y ：) ，( 毛，y 3 ) ；节点d 为发 射节点，坐标为o ，y ) 。假设接收节点a 为控制节点，各个接收节点估计的t d o a 都是相对于接收节点a 。发射节点d 到各个接收节点的距离为： 仁“一工) 2 + ( y 。一y ) 2 如。厄j 万而 2 ( 3 ) k 一厄j 万而 已知发射节点d 到节点a 、c 的时间差为k ，发射节点d 到节点a 、b 的时间差毛：， 可以达到下面的方程组。 i 如一厶= 啊： 1 l 匕一厶一啊， 2 一( 4 ) 这里v 为无线信号在空气中的传播速度。对上面两个方程组2 ( 3 ) 、2 ( 4 ) 联合 求解得到： 啊：。厄j 再砑一厄j 再而2 ( 5 ) 啊，；瓜j 再而一厄j 再而 2 ( 6 ) 求解上面的两个方程，就可以得到发射节点d 的坐标。这种定位法需要测量节 点间到达时间差而不是到达时间，避免了严格时钟同步的要求，因而与t o a 定位 1 1 青岛大学硕士学位论文 相比，实现相对容易且有较高的定位精度。 ( 3 ) a o a 算法 a o a 算法是由参考点通过天线阵列测出信号的入射角皮，形成一根从参考点到 待测点的方向线，由两个参考点得到的两根方向线的交点就是待测点的位置。因此， a o a 算法只需要两个参考点就可以确定位割捌。 n a 图2 5a o a 算法模型 可以根据平面几何的知识确定关于定位节点坐标与传感器节点坐标、 满足的方程组。假设传感器节点a 、b 、c 的坐标分别为( 五，y 1 ) ，o ：，y ：) ， 定位节点d 的坐标为( x ，y ) 。 ro - x a ) s i n 0 1 - ( y - y , ) c o s o l 一0 i j 一工2 ) s i n 0 2 - ( y - y 2 ) c o s 0 2 0 l ： l0 - x ) s i n 0 - ( y - y ) c o s o ；0 角度之间 也，y ，) ， 2 - ( 7 ) 根据方程组2 ( 7 ) e p 的任何两个方程都可以得到d 点的坐标，选取前两个方程进 行求解，可以得到d 点的坐标为： 珈鲤业型s i n 糍c o s 糕s 舞i nc 藉o s 必 2 - ( 8 ) e 1e ，一8 ，e 1 一 y ；业业嚆s i n 岩c o s 警s i n 篇c o 署s 坐幽 2 ( 9 ) 。81e ，一8 ，e 、 、1 根据上面两个方程式可以求得d 的坐标。 a o a 误差包括两个方面：信道引起的误差和角度测量设备引起的误差，由此 可以看出，它不仅受外界环境的影响，也受内部因素的影响。这种定位算法需要额 外的硬件，且算法复杂度较高。 第二章室内定位感知理论 ( 4 ) r s s i 算法 该算法是根据己知的信号发送功率和接收信号强度指示器测得的接收信号场强 值，计算信号的有效传播损耗，再使用理论或经验的信号传输模型将传输损耗转换 为距离，最后计算出被定位目标的位置，该技术主要使用射频信号【2 9 1 。 这种方法无需复杂的时钟同步和数据交换，因而非常简单易行。因为传感器节 点本身具有无线通信能力，所以是一种低功率、低成本的测距定位技术。 但是该方法由于是利用无线信号在传播过程中的衰减，从接收信号强度中推算 出距离，最大的缺点是对环境变化敏感，而且定位精度较差，主要是由于r s s i 的数 值不是常数，即使发送和接收双方都不移动，也可能出现严重的振荡，这是由信道 的快速衰落和无线信号传输环境的迅速变化造成的l 矧。另外，一般使用的简单的、 便宜的无线信号收发器常常没有经过校准，在不同的设备上即使相同的信号强度也 可能导致不同的r s s i 值。信号传输过程中产生多径效应和通过障碍时产生阴影效应， 所以不太适合于室内高精度定位。因此，如果采用r s s i 值来估计距离，其误差是相 当大的。通常将其看成为一种粗糙的测距技术，它有可能产生5 0 的测距误差1 3 1 l 。 ( 5 ) 综合算法 综合定位技术是在一个系统中，采用了上述定位技术中的两种或多种方法，来 达到更高的定位精度，一般情况是根据角度定位算法和时间定位算法相结合实现室 内定位的目的。混合定位的典型例子是a o a 与t d o a 组合定位，可以克服各种误差， 达到更高精度。在普适计算环境下的室内位置感知中。该方法有较大的发展前景。 假设被定位目标的坐标为( x ，y ，z ) ，其中一个固定节点的坐标为( 毛，只，弓) ，固定 节点的俯仰角为口，方位角为卢。那么被定位目标的坐标为： 氍2 x = + v t c o s a c 咖o s , 62 一( 1 0 ) 其中 ，是无线信号在空气中的传播速度，t 是无线信号从被定位目标到达固定接 收节点的时间，根据上面的方程组就可以求得被定位目标的坐标。 ( 6 ) 距离无关算法 虽然通过测量发射节点与接收节点之间的距离能够实现精确定位，但往往对无 线传感器节点的硬件要求较高，出于硬件成本、能耗、安装的方便性等考虑，人们 提出了与距离无关的定位方法。距离无关的定位方法无需测量各节点之间的绝对距 1 3 青岛大学硕士学位论文 离或坐标，降低了对节点硬件以及安装的要求，但定位的误差要比距离相关算法大。 质心定位算法是南加州大学的n i r u p a m ab u l u s u 等人提出的一种仅基于网络连通 性的定位算法。多边形的几何中心称为质心。该算法的思想是锚节点每隔一定的时 间，向邻节点广播一个信标信号，信号中包含自身i d 和位置信息。当位置节点接收 到来自不同锚节点的信标信号数量超过某一个阈值或接收一定时间后，该节点就确 定自身位置为这些锚节点所组成的多边形的质心，多边形坐标的平均值就是质心节 点的坐标值。该算法仅能实现粗粒度定位，需要较多的锚节点；但它非常简单，完 全基于网络连通性，无需锚节点和未知节点问协调1 3 引。 凸规划定位算法是加州大学伯克利分校 拘d o h e r t y 等人提出的。该算法将节点间 点到点的通信连接视为节点位置的几何约束，把整个网络模型化为一个凸集，从而 将节点定位问题转化为凸约束优化问题，然后使用半定规划和线性规划方法得到一 个全局优化的解决方案，确定节点位置l 矧。 d v h o p 定位算法是美国路特格斯大学i 拘d r a g o sn i c u l e s c u 等人提出的。该算法利 用距离矢量路由和g p s 定位的思想，形成了一系列分布式定位算法，合称a p s ，d v h o p 定位算法是其中的一种。该算法由三阶段组成。首先使用典型的距离矢量交互 协议，使网络中所有节点获得锚节点的跳数。第二阶段，在获得其它锚节点位置和 相隔跳距后，锚节点计算网络平均每跳距离，然后将其作为一个校正值广播至网络 中。在大型网络中，可通过为数据包设置一个1 1 1 域来减少通信量。当接收到校正 值后，节点根据跳数计算与锚节点距离。当未知节点获得与三个或更多锚节点的距 离，则在第三阶段执行三边测量定位【川。 a p l t ( a p p r o x i m a t ep i tt e s t ) 定位算法：其理论基础是p i t ( p e r f e c t p o i n t i n t r i a n g u l a t i o nt e s tt h e o r y ) ，判断某一点d 是否在三角形a b c 内。假如存在一 个方向，沿着这个方向d 点会同时远离或接近a 、b 、c ，那么d 位于三角形a b c 外；否则d 位于三角形a b c 内。在a p i t 算法中，一个目标节点选择三个相邻节 点，测试目标节点是否位于它们所组成的三角形中。使用不同节点组合重复测试直 到穷尽所有组合或达到所需定位精度。最后计算包含目标节点的所有三角形的交集 质心，并以这一点作为目标节点位置1 1 7 j 。 2 4 室内定位感知要求 室内定位感知系统不仅要求目标物体位置的准确性，还要求具有多目标定位， 即同时可以对多个目标物体进行定位，并且还需要有定位的方向性，可以更好的为 位置服务提供参数。由于室内定位的场合，所以系统还应该价格低廉，易于安装使 用2 3 1 。 ( 1 ) 定位的精度。由于室内空间比较狭小，定位要求的精度要高于室外定位的 1 4 第二章室内定位感知理论 要求。g p s 在用于室外定位时，可以达到1 0 米以内的定位精度，好的定位设备可以 达到1 3 米的范围。但是在室内环境，要区分物体以及人的位置，定位精度必须达到 分米甚至厘米级的要求，只有这样，才能更好地