鄭志杰 方薈 沈銳棟 吳鷺鑒 楊戀

摘要：隨著社會(huì)老齡化逐漸加快，老人看護(hù)問題日益突出。由于子女工作無法全天監(jiān)護(hù)老人，且老人記憶力開始減退，時(shí)常出現(xiàn)老人外出走失的情況。為了預(yù)防老人走失，并對(duì)老人的行蹤提前預(yù)警，設(shè)計(jì)了一種防走失定位預(yù)警系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)利用ZigBee傳輸技術(shù)，將RSSI信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成距離數(shù)據(jù)，通過三邊法自動(dòng)計(jì)算老人的位置坐標(biāo)，并在上位機(jī)上顯示老人的位置。當(dāng)超出安全范圍，系統(tǒng)將會(huì)向管理員或監(jiān)護(hù)人發(fā)出預(yù)警信息。該預(yù)警系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)老人行蹤的提前告警，以期在老人看護(hù)工作中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：防走失;定位;預(yù)警;ZigBee;三邊法

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）03-0274-04

1 概述

隨著我國計(jì)劃生育的持續(xù)展開，獨(dú)生子女現(xiàn)象日益普遍，同時(shí)人口老齡化比例日益增長(zhǎng)，整個(gè)社會(huì)的人口結(jié)構(gòu)朝著“倒金字塔”的形式發(fā)展。當(dāng)老人遇到危險(xiǎn)時(shí)，可能由于身體狀況原因，自己無法及時(shí)做出處置。因此他們的日常生活需要更多的監(jiān)護(hù)。但是由于現(xiàn)代社會(huì)壓力劇增，作為社會(huì)中堅(jiān)力量的中年人并無足夠時(shí)間照顧老人，走失現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，老人的安全監(jiān)護(hù)問題亟待解決。為了最大限度地保障老人安全，設(shè)計(jì)了一個(gè)老人防走失預(yù)警系統(tǒng)。安放在老人身上的定位節(jié)點(diǎn)，可以將老人的實(shí)時(shí)位置信息發(fā)送給管理員或監(jiān)護(hù)人。一旦老人將要離開安全范圍，監(jiān)控端將會(huì)收到預(yù)警提示。

主流的無線通信技術(shù)主要有ZigBee、無線局域網(wǎng)（Wlan）、藍(lán)牙（Bluetooth）、蜂窩網(wǎng)絡(luò)（Cellular Network）。其中，ZigBee因其低功耗、低成本、高速率，易組網(wǎng)特點(diǎn)，成為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。近年來，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都對(duì)ZigBee定位算法做了研究。根據(jù)定位過程中是否測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，定位算法分為兩大類：基于測(cè)距算法（range-based）和免測(cè)距算法（range-free）。無須測(cè)距的定位方法僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性來定位，定位精度在一定程度上依賴于網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離的估計(jì)精度，如DV-Hop算法、APIT算法、質(zhì)心算法等?；跍y(cè)距的定位算法通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)間距離或角度信息完成定位過程，如基于接收信號(hào)強(qiáng)度衰減的定位（RSSI）[1].基于到達(dá)時(shí)間的定位（TOA）[2]。本系統(tǒng)以ZigBee為無線傳輸方案，以RSSI作為定位基礎(chǔ)。

2 RSSI測(cè)距原理

在無線信號(hào)傳播過程中，空氣阻力與障礙物都會(huì)影響到信號(hào)強(qiáng)度。如圖所示，隨著距離增大，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)減小。ZigBee（ZigBee）信號(hào)工作頻帶為2.4千兆赫，信號(hào)強(qiáng)度在10米內(nèi)迅速變小。這種衰減關(guān)系可用于距離的測(cè)量。如圖l[3]。

基于RSSI的定位流程通常包括三個(gè)部分，如圖2所示。首先采集到信號(hào)強(qiáng)度值傳輸至上位機(jī)，根據(jù)信號(hào)傳輸模型和RSSI值來計(jì)算距離，再利用三邊算法來進(jìn)行定位。

圖中的信號(hào)衰減模型有三種：雙徑地面反射模型[4]、陰影模型[5]、自由空間模型。接收信號(hào)存在一個(gè)閾值。當(dāng)接收信號(hào)強(qiáng)度大于閾值時(shí)，信號(hào)傳送被認(rèn)為是可靠的。反之被認(rèn)定為傳送失敗并被刪除。本系統(tǒng)采用的是最常用的陰影模型，其表達(dá)式為：

RSSI的測(cè)距原理即通過信號(hào)衰減模型獲取發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離信息，再通過三邊測(cè)量法的計(jì)算可得出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電源電路

電源是保障單片機(jī)正常運(yùn)行的重要因素。好的電源供電方案對(duì)于通信的傳輸質(zhì)量是至關(guān)重要的?？紤]到單片機(jī)采用的供電環(huán)境，設(shè)計(jì)了適配器供電和電池供電。通過設(shè)計(jì)的開關(guān)來進(jìn)行切換。電壓設(shè)定為SV左右，可以直接用數(shù)據(jù)線供電或者電池供電。

如圖4所示，電源電路主要由電壓轉(zhuǎn)換芯片和防反接保護(hù)二極管構(gòu)成。電源轉(zhuǎn)換芯片使用的是REG117-3.3，其能夠支持4.75-12V的寬電壓輸入。

3.2 時(shí)鐘電路

在ZigBee節(jié)點(diǎn)電路中，CC2530 一共有4個(gè)晶體振蕩器，內(nèi)部晶體有16m和32k的RC晶體振動(dòng)，外部晶體有32m和32.768k的石英晶體振動(dòng)。

外部32m振蕩器具有很高的精確性，但起始速度較慢。16m RC晶體的精確性較低，但起始速度很快。因此，ZigBee系統(tǒng)通電后內(nèi)部16m RC振蕩器會(huì)提供所需的時(shí)鐘信息，32m振動(dòng)器穩(wěn)定下來后也會(huì)提供系統(tǒng)時(shí)鐘，最終給系統(tǒng)提供脈沖信號(hào)。

晶體振蕩器精確性更高，而RC的成本和功耗更低，兩個(gè)不能同時(shí)工作。圖5是ZigBee時(shí)鐘電路。12pf負(fù)載電容連接到晶體兩端，保證CC2530能夠得到更精確的時(shí)鐘信號(hào)。

3.3 串口電路

串口是ZigBee系統(tǒng)的關(guān)鍵接口，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。并用于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通訊，如圖6所示。

其采用PL2303芯片進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，輸出電壓可以自調(diào)，并支持雙向數(shù)據(jù)緩存，兼容USBl.1協(xié)議。

3.4 天線電路

天線電路是ZigBee系統(tǒng)必不可少的組成。其主要作用就是發(fā)射與接收電磁波信息。分為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)兩部分。如圖7所示。

ZigBee的發(fā)射與接收天線是屬于同樣的，天線的選擇是否正確與匹配電路的方案都是至關(guān)重要的。

4 ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種類型的節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)構(gòu)造和定位無線傳感網(wǎng)絡(luò)。路由器及終端節(jié)點(diǎn)需要通過申請(qǐng)才可加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器作為節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：

4.1 協(xié)調(diào)器初始化

協(xié)調(diào)器初始化的前提條件包括：

（1）確認(rèn)節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器所需條件

必須有一個(gè)FFD（全功能節(jié)點(diǎn)）[7]，其次該節(jié)點(diǎn)不能加入其他ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中。

（2）信道掃描

消除干擾，掃描所有信道的能量信息，對(duì)掃描的結(jié)果進(jìn)行處理，刪除不良信道。

（3）設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

網(wǎng)絡(luò)層掃描到能正常使用的信道后，將給出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符賦給新的信道，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符可以由NLME_NET-WORK_FORMATION.request指定或者隨機(jī)選擇。

如圖8，協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)初始化的具體流程為：首先對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電啟動(dòng)，判斷其是否是FFD，如果不是FFD就跳轉(zhuǎn)到失敗，如果是FFD跳轉(zhuǎn)到下一步.是否加入其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行判斷。如果是加入其他網(wǎng)絡(luò)的話就跳轉(zhuǎn)到失敗，如果不是就跳轉(zhuǎn)到下一步啟動(dòng)協(xié)議棧。接著掃描信道識(shí)別是否有合適的信道，選擇合適信道并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID和協(xié)調(diào)器地址，最后網(wǎng)絡(luò)初始化成功，等待其他節(jié)點(diǎn)加入。

4.2 路由器加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)

節(jié)點(diǎn)開始運(yùn)行就主動(dòng)開始掃描附近的ZigBee群，發(fā)出參與請(qǐng)求。路由器請(qǐng)求設(shè)計(jì)具體流程如圖9所示。上電啟動(dòng)后，首先掃描協(xié)調(diào)器判斷是否檢測(cè)到信標(biāo)，如果沒有檢測(cè)到信標(biāo)則跳轉(zhuǎn)回繼續(xù)檢測(cè)，如果檢測(cè)到信標(biāo)就向協(xié)調(diào)器發(fā)送關(guān)聯(lián)信號(hào)。接著判斷協(xié)調(diào)器資源是否足夠，足夠則路由器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)并連接成功。協(xié)調(diào)器響應(yīng)連接成功，最后加入網(wǎng)絡(luò)，并獲取地址。4.3基于LabVIEW的上位機(jī)設(shè)計(jì)

LabVIEW除了軟件，還有硬件接口，比如串口、USB口、PCI、PXI等。其擁有下面幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）美觀的人機(jī)交互界面，用來顯示數(shù)據(jù)和操作程序。

（2）通過使用數(shù)據(jù)流思想來處理并行的情況。

（3）其可以通過使用許多函數(shù)庫來處理，不需要對(duì)底層的實(shí)現(xiàn)方面過多關(guān)注。

（4）能夠使用MATLAB、C等許多不同的接口來運(yùn)行，擴(kuò)展更容易。

（5）擁有較多的硬件接口設(shè)備，方便數(shù)據(jù)采集以及信息處理。

上位機(jī)設(shè)計(jì)的流程如圖10所示。首先串口初始化，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，接下來校驗(yàn)其標(biāo)志位，如果失敗跳轉(zhuǎn)回串口初始化。否則，轉(zhuǎn)換各節(jié)點(diǎn)間的RSSI為距離信息，存儲(chǔ)固定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及節(jié)點(diǎn)間距離信息，最后獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)并顯示。

5 系統(tǒng)的測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

5.1 ZigBee組網(wǎng)測(cè)試

該系統(tǒng)構(gòu)造的是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試協(xié)調(diào)器與路由器之間能否正常通信。網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和三個(gè)路由器構(gòu)成。測(cè)試過程：第一步先把協(xié)調(diào)器通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)接，剩下三個(gè)路由器按序號(hào)通電。打開串口調(diào)試工具，選擇協(xié)調(diào)器的端口號(hào)，將其設(shè)置為波特率115200，勾選16位顯示，就能看到各節(jié)點(diǎn)之間的RSSI值。數(shù)據(jù)如圖11第1位至第五位顯示數(shù)據(jù)并且隨參考點(diǎn)位置移動(dòng)輸出不同數(shù)據(jù)時(shí)，則表明該網(wǎng)絡(luò)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5.2 定位模塊驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

協(xié)調(diào)器連接計(jì)算機(jī)，將路由器1號(hào)和路由器2號(hào)與協(xié)調(diào)器O號(hào)擺成一個(gè)直角三角形，邊長(zhǎng)為3m，0號(hào)點(diǎn)為原點(diǎn)（計(jì)算機(jī)旁），1號(hào)點(diǎn)坐標(biāo)為（3，0（門邊椅子上），2號(hào)點(diǎn)為（0，3）。如圖12與圖13所示。

將路由器節(jié)點(diǎn)3號(hào)由移動(dòng)目標(biāo)帶人構(gòu)成的直角三角形范圍內(nèi)，能看見一個(gè)黃點(diǎn)在閃爍，即定位的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置。如圖12與圖13所示。

在參考點(diǎn)與移動(dòng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間安排一個(gè)人作為障礙物，保持其他條件不變，觀察黃點(diǎn)位置情況，如圖14與圖15所示。

由圖15和圖16可以看出有障礙物的時(shí)，定位位置會(huì)存在偏差。在保持位置與障礙物數(shù)量不變的情況下改變移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直置進(jìn)行測(cè)試，分別取點(diǎn)（0.5.0.5）、（1，1）、（2，2）、（1，3）、（3，1）來進(jìn)行測(cè)量誤差數(shù)值d，并且算出其平均誤差值為0.434m。

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)是基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一套定位系統(tǒng)，利用信號(hào)強(qiáng)度RSSI的三邊定位算法實(shí)現(xiàn)了走失老人的位置的實(shí)時(shí)定位，并給出預(yù)警。這一系統(tǒng)能夠低了老人走失的風(fēng)險(xiǎn)，具有深刻的社會(huì)意義，而且實(shí)施該方案的成本與復(fù)雜度較低，因此其具有一定的市場(chǎng)發(fā)展前景。

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