室内外人员定位报警系统研究及应用

摘 要：　以GPS定位和射频识别技术为基础，以GPRS通信技术为载体设计室内外人员定位报警系统。该系统不仅实现室内和室外精确定位，在紧急情况下还可以进行主动和被动式的报警呼叫。对整个系统的主处理器、射频通信模块、GPS定位模块、GPRS通信模块作详细解析、阐述室内定位的组网方式、定位技术及算法实现，室外GPS定位和GPRS通信的具体模式以及整个系统的低功耗处理。

关键词：　室内外人员定位；报警系统；研究

中图分类号：TM934 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1110086-02

随着无线通信技术、互联网、移动通信技术的迅速发展，人员定位的应用已经越来越广泛。比较成熟的GPS定位、移动网络定位等室外定位技术已经运用于车载导航、智能交通、物流运输等行业。由于无线信号的扛干扰能力弱等原因，室内定位技术至今还没有出现比较成熟并且稳定的方案，比较常见的室内定位技术有红外线、超声波测距技术，射频识别技术等。本文结合基于RSSI的室内定位技术与室外GPS定位技术相结合，将GPRS作为通信平台，设计了一套室内外人员定位报警系统。

1　系统组成

1.1　系统总体架构

该室内人员定位报警系统主要由移动节点、读卡器、网络终端三部分组成。移动节点框图如图1所示。

其中移动节点由电源模块、主处理器、射频通信模块、GPS定位模块、GPRS通信模块以及天线六部分构成。在室内时用于判断使用人员相对位置坐标同时将坐标发送至读卡器，在室外时用于接收GPS定位坐标并将处理后的数据发送至网络终端。移动节点在使用时可制作成腕表或者卡片佩戴于用户身上；读卡器由电源模块、主处理器、射频通信模块、天线四部分构成，主要用于室内读取移动节点发送的数据同时将数据通过485总线发送至网络终端，读卡器在使用时置于室内的每个房间。

1.2　硬件组成

1）主处理器。该系统中移动节点、读卡器已经网络终端的主处理器使用了TI公司的一款16位体系结构的MSP430F149超低功耗单片机，供电电压1.8V-3.6V。MSP430F149内置了两个16位定时器、一个快速12位A/D转换器，两个通用串行一步/同步通信接口（UART），共有48个I/O引脚。该处理器包含了三个系统时钟：主系统时钟（MCLK）、子系统时钟（SMCLK）、辅助时钟（ACLK）。主系统时钟可以由外部晶振提供时钟源，也可以由内部DCO提供时钟源，主要用于CPU；子系统时钟源来自外部晶振，主要用于外设模块；辅助时钟主要用于周边一些其他模块。

2）射频通信模块。系统中使用的射频通信模块是一款单片低能耗RF收发芯片CC2500，工作在2.4GHz-2.4835GHz波段，集成了一个数据传输率可达500Kbps的高度可配置调制解调器。

CC2500有数据发送和数据接收两种模式，当处于接收模式时，接收的RF信号通过低噪声放大器（LNA）进行信号放大，再对中间频率求积分将信号转换到电路下一部分；当模拟信号通过数模转换模块时转换为数字信号；当信号通过自动增益控制模块、细微频率滤波模块、数据包同步模块后完成数字化工作。[1]

CC2500是一个高度集成的射频收发器件，在实际应用时只需在添加少量元件即可正常工作，典型应用电路如图2所示。R171作为偏置电路与芯片的偏置引脚相连接，用来设置一个精确的偏置电流，一般取值56千欧姆。C122，C132，L121和L131形成一个平衡转换器，这个平衡网络的作用是将芯片上的微分射频端口转换成单端射频信号。C123，L122，C124是一个匹配网络，作用是将阻抗转换以适应50欧姆的天线或电缆。

3）GPS定位模块。GPS定位技术相对比较成熟，本文在室外定位部分使用了一款高性能、低功耗的集成模块ET-662，该模块工作频率在1.575GHz，供电电压在3.1V-3.5V。该器件内核使用了SIRF　Star　III，在同一时间最多可以搜索20颗卫星。

该器件的电路如图3所示，芯片16脚是天线输入脚，从该引脚引出了一段传输线匹配电路，用以匹配50欧姆的天线；第3脚和第4脚分别是信号输出脚和信号输入脚，分别用2个10千欧姆的电阻上拉到3.3V；第11脚引出的是一个备用电池电路，当主电源电路切断时，备用电源电路会自动给芯片供电。

1.3　软件工作流程

移动节点（标签）软件工作流程图如图4所示，主要由室内模式和室外模式两部分构成。当移动节点在室内时自动开启室内模式，软件首先初始化单片机的定时器配置、串口通信配置、I/O引脚配置、射频通信模块频率等参数配置、关闭看门狗；当移动节点没有报警信号时进入接收状态；当移动节点收到唤醒信号或者报警信号时主动将节点本身的ID号以及室内坐标位置发送给周边读卡器，然后继续进入信号接收模式等待。当移动节点在室外时自动进入室外模式，当没有报警信号时准备GPS定位搜星，并定时将自身坐标位置和ID号发送到网络终端；当接收到报警信号时立即将最新存储的坐标位置和ID号发送到网络终端从而报警提醒。

2　关键技术研究

室内外人员定位系统的关键技术也是重点和难点在于网络结构的设计和室内定位算法的研究。由于网络包含了室内定位和室外定位两部分，单一的拓扑结构和算法不能满足系统需求，需要综合设计一种混合型的网络结构。

2.1　网络结构设计

在无线传感器网络中网络结构的设计直接影响到了网络的功耗、稳定性与实时性。本文阐述的系统是一个定位报警系统，对稳定性和实时性要求比较高，在确定网络结构时遵循了一下几个特点：

1）鲁棒性强。网络中的移动节点由于坐标的不确定性，在移动过程中非常容易产生信号的干扰，节点的实效等问题，所以需要保证在任何节点实效的情况下其他节点能够稳定工作；[2]

2）实时高效。定位报警功能本身主要应用场合是一些及时性的场所，如养老院、医院、矿井等，当有报警信号产生时需要在第一时间将信息传送到网络终端使工作人员能够立即了解情况；

3）可扩展性。由于网络节点个数是不确定的，在使用过程中可能会有大量的新节点加入，所以无线网络需要留有新节点实时加入的机制。[3]

本文所使用的混合型网络结构如图5所示，其中S代表的是移动节点，每个移动节点都会连接两个或者两个以上的读卡器与之配对；R代表读卡器节点，相邻的读卡器和读卡器时间是可以进行相互通信的，当其中一个读卡器无法与网络终端通信时可通过相邻读卡器将数据传送至网络终端；G代表网络终端节点。

2.2　基于RSSI的室内定位算法研究

定位技术的分类有许多种定义，例如绝对位置定位和相对位置定位、基于测距定位和不基于测距的定位、集中式定位和分布式定位等，本文采用一种基于RSSI测距的分布式定位法。

这种定位方法的基本思想是两个射频模块的发射功率和接收到的功率存在一定的非线性比例关系，根据这种关系可以得发送信号模块和接收信号模块之间的距离，通过多点计算最终可以得到移动节点相对于读卡器的位置坐标和距离。[4][5]

3　系统在养老院中的应用

该系统主要完成对老人实时监控定位、即时应急呼救等功能。每位老人携带一张由我们团队研发的一款老年卡，该卡集成了GPS定位、远程呼叫、身份识别等功能。

在正常情况下，老年卡会定时主动把自己的位置坐标通过无线通信的方式发送给家中或者养老院中布置的任何一个读卡器中，读卡器接收到完整信息后会即时地上传到主机终端，即监控中心的计算机中，从而实现人员的定位。

在非正常情况下，例如老人出现身体异常或者跌倒等突然情况时，老年卡按下呼救按钮所带的老年卡会主动即时把检测到得身份识别信息、位置坐标等所需的数据发送给家中或者养老院中布置的任何一个读卡器中，读卡器接收到完整信息后会即时地上传到主机终端，并产生报警信号，通知监控中心相关人员迅速处理。

当老人外出距离家或者养老院较远时，改系统会自己进入室外模式，GPS定位系统会自动被打开，通过GPS定位系统和智能感知功能来实时监测老人的位置坐标、健康状况等信息。

实际测试效果如图6所示，左侧图片为室内定位实际测试图、右侧图片为室外定位实际测试图。

4　总结

本文主要对室内外定位报警系统的软硬件组成、网络结构框架、定位算法以及系统在养老院的实际应用作了一个系统的介绍。随着无线传感器网络的不断发展和完善，定位的精度和效率将不断提高，定位的功耗和复杂对也会相应的降低。除此之外，在组网定位基础上的传感器应用技术也将进一步得到新的提升。

参考文献：

[1]孙利民、李建中、陈渝、朱红松，无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]于海斌、曾鹏，智能无线传感器网络系统[M].科学出版社，2006.

[3]李文仲、段朝玉，ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4]王珊珊，基于RSSI的无线传感器网络节点自身定位算法[J].计算机研究与发展，2008：385-388.

[5]徐燕，石江宏无线传感器网络中基于RSSI差值的改进定位算法[J].厦门大学学报，2008，47（3）：361-364.