【《基于蓝牙RSSI定位系统的设计与测试分析案例》3100字】

基于蓝牙RSSI定位系统的设计与测试分析案例目录TOC\o"1-2"\h\u24579基于蓝牙RSSI定位系统的设计与测试分析案例 1126701基于蓝牙RSSI定位系统的设计 1130331.1系统框架设计 19031.2基本组成和设计介绍 2122212定位系统实测 81基于蓝牙RSSI定位系统的设计1.1系统框架设计本次蓝牙RSSI定位系统设计和部署简单，主要构成角色有信号发射源蓝牙信标和接收数据处理中心蓝牙网关和开发板。首先在小范围内部署好信标和蓝牙网关，确认网关和信标建立连接和进行数据传输，当已经完成开发的开发板到达附近时基本可以开展工作。系统框架如图3-1所示：图3-1定位系统框架图信号发射源信标会持续不断地向周边广播数据包。在一定距离内，网关的蓝牙模块与信标建立连接并获取RSSI值，通过串口传送数据到Wi-Fi模块；Wi-Fi模块通过UDP实时通信上传数据到开发板，对RSSI进行卡尔曼滤波、RSSI-d测距转换，再使用三边定位法计算处理数据便可得到蓝牙信标的定位信息，将其显示在前端。1.2基本组成和设计介绍1.2.1蓝牙信标设计开发蓝牙信标硬件设计中最重要的工作之一是主控芯片的选定，从使用功率、射频参数、CPU处理大小、内存和支持协议进行方面综合考虑，通过查阅芯片手册和根据现实需要对比得到一个各方面条件都良好的选定结果。蓝牙模块常用芯片有对比如表3-1。表3-1蓝牙模块常用芯片性能对比型号电流/mA射频参数/dBmCPU内存/KB协议支持RXTXTXPow-erReceiveSensitiv-ityFLASHRAMnRF528325.45.3-20~+4-96Cortex-M4F256/51232/64BLE/ANT/NFC/私有2.4GHznRF518229.78-20~+4-93Cortex-M0128/25616/32BLE/私有2.4GHzCC26405.96.1+5-97Cortex-M312820BLECC26505.96.1+5-97Cortex-M312820Zigbee/BLE/RF4CE/6LoWPANFRDM-KW40Z6.58.4-20~+5-91Cortex-M0+16020BLECC254019.624+4-978051128/2568BLE/私有2.4GHzCC254117.918.2+4-948051128/2568BLE/私有2.4GHz表3-1中的芯片都具有功耗低、发射功率高、接收灵敏度高、处理能力强大的优点。然而在对比之下可以明显看到：nRF52832芯片的内存较大，其中FLASH有256KB和512KB两种选择，相对于其它芯片来说电源关闭后保存数据的能力比较强大，因此可以避免使用时因意外断电或关机而丢失数据的情况发生；RAM也有32KB和64KB两种，读取数据速快，可以有效提高程序运行速度；支持BLE、ANT、私有2.4GHz和NFC多种无线通信协议；芯片内核为Cortex-M4F，具有32处理器，在运行算法方面具有很大的优势。因此，本次蓝牙信标选择由nRF52832芯片主控，加上晶振电路、下载串口、射频电路、电源电路模块组成。信标硬件设计框架如图3-2；图3-2信标硬件框架图CR2477T纽扣电池提供电源电压3v，方便信标位置的灵活移动和部署。本次射频电路采用的是ANT天线，频率为2.4GHz，可以决定发射信号强度和传输距离大小。电路原理图中有两个晶振，它们的工作方式直接决定了信标的能耗高低。32KHz的晶振可以发挥对装置的监听功能，在等待命令的过程中使用；32MHz的是在处理命令的时候开始工作的，设计意图是可以保证降低能耗的装置[NOTEREF_Ref2366\h13]。信标硬件设计电路原理图如图3-3；图3-3信标电路原理图nRF52832的程序开发环境为KeilμVision，使用的SDK版本是SDK_15.2，可用C语言编写，烧写下载软件是ISP。安装好Keil软件、新建工程、选择好单片机类型、芯片型号、头文件、目标文件等后，开始调试编译。蓝牙信标作为系统的信号发射源，需要与附近的蓝牙网关连接通信。在初始化程序模块后排队写入事件处理函数，具体过程如图3-5所示。图3-4蓝牙信标软件流程其中，APP_ADV_INTERVAL用来设置广播间隔187.5ms，单位0.625ms，功耗与广播间隔时间呈负相关；APP_ADV_DURATION为广播持续时间，单位10ms，设置为0表示不超时。caseBLE_GAP_EVT_CONNECTED语句来处理BLE连接事件，若是超时，caseBLE_GATTS_EVT_TIMEOUT便断开连接。1.2.2信息传递中介蓝牙网关本次蓝牙网关选用了WT32-ETH01无线模块，它包含了蓝牙加Wi-Fi二合一、多种工作模式，其系统框架如图3-5[[]Mark，linfuliang．[]Mark，linfuliang．WT32-ETH01规格书版本1.1[S].2019.图3-5蓝牙网关系统框图LAN8720是以太网模块，WT32-S1聚集Wi-Fi、BLE模块，RJ45是网络接口，基准时钟达到50MHz，数据穿透能力强大。它蓝牙部分射频接收器的灵敏度达到-97dBm，可以通过模块蓝牙功能直接接收蓝牙数据包，使用AT指令便可以直接将数据通过串口传递到Wi-Fi数据传输端[NOTEREF_Ref22361\h16]，以Wi-Fi信号的方式发送给服务器进行数据处理，起到了信息扫描、传送的作用。本次开发蓝牙网关开发环境为社区版VisualStudio2019，编译器为gccV6.1.0，需要用到的编程开发环境插件工具有VisualGDB和ESP-IDF，采用C语言编程，主要工作是与信标、开发板进行通信交流。通信协议常用方式有UDP和TCP。UDP通信方式比较简单，不用建立连接就可以直接向目标发送信息，占用资源需求少，交互通信有一对一、多对一和多对多的多种方式，只需要制定固定的本地IP地址和端口便可将数据快速发给对方，在通信过程中不做任何校验，所以不保证数据传输的可靠性[[]高扬,贺兴,艾芊.基于数字孪生驱动的智慧微电网多智能体协调优化控制策略[]高扬,贺兴,艾芊.基于数字孪生驱动的智慧微电网多智能体协调优化控制策略[J/OL].电网技术:1-10[2021-04-16].而TCP是面向连接，数据交互前需要三次“对话”和“握手”建立点到点、一对一的可靠连接，以确保数据的不丢包、零错误，但传输效率低，一般用于文件的下载和传输、远程操作等对数据传送要求高度准确、负责的场景。根据定位系统需要实时显示目标的位置坐标，因此选择了UDP方式。在创建UDP时，不需要服务器的listen来监听，也不需要双方用connect建立连接。一般直接使用bing命令绑定IP地址和端口号后，进行通信时直接用recvfrom接收、sendto向目标发送数据，处理数据后直接用close关闭socket。其工作流程图如图3-7：图3-6UDPSocket程序流程图1.2.3ESP32单片机处理和显示单片机选用的是乐鑫信息科技研发的ESP32，其功能框图如3-8[[]ESP32­C3­WROOM­02技术规格书]。[]ESP32­C3­WROOM­02技术规格书图3-7ESP32­C3­WROOM功能框图ESP32­C3­WROOM具有ESP32-C3芯片，晶振40MHz，闪存4MB，具有22个GPIO接口[NOTEREF_Ref12462\h17]，运行计算能力强大。ESP32带有显示屏幕，液晶屏为ILI9341主控，大小1.2寸，分辨率240*320，显示参考节点和目标位置清晰直观。其开发环境、需要的工具插件和开发语言与蓝牙网关的相同。开发板的工作如图3-8。图3-8开发板处理数据流程图ESP32开发板是处理数据的中心。使用esp_err_tcreate_udp_client语句来建立udpclient，通过staticvoidudp_connect建立UDP连接并接收来自三个蓝牙网关的数据，设计kalman_filtering对数据进行预处理工作和Calculate_distance()将RSSI值转化成对应的距离，通过设计Location_algorithm函数计算距离。最后，显示界面设计部分选用了LittlevGL开源图形库，它内存占用小、视觉效果良好、功能相对齐全，可以构建按钮、高级图形、设备输入触摸板，满足了GUI的设计需求。3定位系统实测实现准确定位，就需要选择一个相对良好的环境测试，设计出可行、可靠的测试方案，根据测量数据分析定位系统的性能。本次测试环境在教室，主要实验步骤为如下三个阶段：1.数据发射阶段：信标作为信号发射源，当电源装入池座通电后便不断向四周广播信号。图4-1蓝牙信标实物图2.数据采集阶段：合理放置并打开蓝牙网关，当指示红灯亮时，表明模块开启工作。图4-2蓝牙网关实物图1.数据处理和位置坐标显示阶段：可在信号覆盖范围内灵活移动蓝牙信标（定位节点），发现ESP开发板可以实时获取蓝牙信标的位置更新信息，反应迅速，交互性强。图4-3ESP开发板实物图实验测试地点选在教学楼里的空旷位置，试验测试如图4-1。图4-4现场测试图三个蓝牙网关距离位置连成一个正三角形，如图4-5。设置几组边长不一样的数据，记录蓝牙信标的实际位置和开发板显示位置，详情如表4-1。图4-5节点部署示意图表4-1实验数据（网关距离为4m）实际坐标/m显示坐标/m误差/m平均误差/m（0，0）（-1.61126，-0.567674）1.652.27（-2.217816，0.065887）2.22（-1.822228，0.361314）1.86（-1.835452，0.321299）1.86（-1.634178，-0.438753）1.66（-2.215743，0.174912）2.22（-1.791871，0.351323）1.83（-1.569657，0.392578）1.61（-1.729129，0.583084）1.82（-1.984118，0.201281）1.99（-0.6，0）（-1.252407，-0.279819）2.671.12（-4.826164，-1.120376）4.37（-1.508831，0.457514）2.94（-1.954109，-0.749742）1.43（-4.210645，-0.847443）1.70（-1.766048，-0.631106）1.26（-1.504229，-0.472081）2.94续表4-1实际坐标/m显示坐标/m误差/m平均误差/m（-0.6，0）（-2.891362，-0.215850）2.301.12（-1.547242，-0.462996）2.98（-1.276156，-0.268815）2.68（-1，0.8）（-1.271507，1.551963）1.561.49（-1.486555，2.894419）1.23（-1.576151，1.701019）1.88（-1.591634，1.36646）1.65（-1.814435，2.665481）1.37（-1.698209，4.839069）4.86（-1.638536，2.90679