檢測技術(shù)_室內(nèi)定位

1、室內(nèi)定位技術(shù)研究儀器科學(xué)與工程學(xué)院 22011311 劉森林 22011230 張勐2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 1 一、室內(nèi)定位技術(shù)概述 隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加, 人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增大, 尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境, 如機(jī)場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中, 常常需要確定移動終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制, 比較完善的定位技術(shù)目前還無法很好的利用。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 2 一、室內(nèi)定位技術(shù)概述 不管是GPS定位技術(shù)還是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或其他定位手段進(jìn)

2、行定位都有其局限性。未來室內(nèi)定位技術(shù)的趨勢是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與無線定位技術(shù)相結(jié)合，將GPS定位技術(shù)與無線定位技術(shù)有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)長，則既可以提供較好的精度和響應(yīng)速度，又可以覆蓋較廣的范圍，實現(xiàn)無縫的、精確的定位。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 3 一、室內(nèi)定位技術(shù)概述 因此，有學(xué)者提出使用RFID、WLAN、視覺路標(biāo)等方式解決室內(nèi)導(dǎo)航這一問題。RFIDBLUETOOTH視覺路標(biāo)2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 4 二、RFID射頻識別原理RFID（Radio frequency identification）系統(tǒng)稱為射頻識別系統(tǒng), 其能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)交換是應(yīng)用無線電和雷達(dá)

3、技術(shù)實現(xiàn)的。射頻識別（RFID）技術(shù)是一種操控簡易，適用于自動控制領(lǐng)域的技術(shù)，它利用了電感和電磁耦合或雷達(dá)反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。射頻（RF）是具有一定波長的電磁波，它的頻率描述為：kHz、MHz、GHz，范圍從低頻到微波不一。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 5 二、RFID射頻識別室內(nèi)定位基本結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、射頻讀寫器、中間件電子標(biāo)簽、射頻讀寫器、中間件以及計算機(jī)數(shù)據(jù)庫計算機(jī)數(shù)據(jù)庫組成，結(jié)構(gòu)如圖所示。射頻標(biāo)簽和讀寫器是通過由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。在定位系統(tǒng)應(yīng)用中，將射頻讀寫器放置在待測移動物體上，射頻電子標(biāo)簽嵌入到操作環(huán)境中

4、。電子標(biāo)簽上存儲有位置識別的信息，讀寫器則通過有線或無線形式連接到信息數(shù)據(jù)庫。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 6 二、RFID射頻識別典型系統(tǒng) 1 1、RFIDRFID室內(nèi)定位技術(shù)室內(nèi)定位技術(shù)典型系統(tǒng)典型系統(tǒng)LANDMARKLANDMARK LANDMARK系統(tǒng)是應(yīng)用RFID的典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的信號強(qiáng)度RSSI的分析計算，利用 “最近鄰居”算法和經(jīng)驗公式計算出帶定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。LANDMARK系統(tǒng)定位定位精度精度：平均1m。缺陷缺陷：LANDMARK系統(tǒng)有幾方面缺陷2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 7 二、RFID射頻識別典型系統(tǒng) 不同頻段

5、RFID技術(shù)適用性RFID常用頻段包括：低頻、高頻、超高頻、微波。針對室內(nèi)定位系統(tǒng)，將不同頻段的射頻信號進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 8 二、RFID射頻識別典型系統(tǒng) 對于上述比較，以2.45GHz2.45GHz的微波信號的微波信號搭建無線定位網(wǎng)絡(luò)比較可行有效。2.45GHz日益受到關(guān)注和應(yīng)用，其全球通用性越來越高，頻寬優(yōu)于其它頻段，傳輸速率加快，而且2.45GHz天線和產(chǎn)品的體積越來越小，攜帶和使用更加方便。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 9 二、RFID射頻識別典型系統(tǒng) I、位置指紋法2、兩種基于兩種基于2.45GHz頻段頻段RFID無線

6、室內(nèi)定位系統(tǒng)無線室內(nèi)定位系統(tǒng) II、ZigBee 2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 10 二、RFID射頻識別典型系統(tǒng) I I、位置、位置指紋法指紋法是一種常用的無線局域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)，典型的系統(tǒng) 是RADARRADAR原型系統(tǒng)原型系統(tǒng)，由微軟研發(fā)。 基于RSSIRSSI技術(shù)技術(shù)的RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng)運(yùn)行分兩個過程，分別是先在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域?qū)υO(shè)置的若干個AP固定點離線采集其位置信息以及信號強(qiáng)度，通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)中心形成位置指紋數(shù)據(jù)庫，再對實時待測物所測算得到信號強(qiáng)度利用最近鄰居法分析匹配出其位置。 精度：精度：2-3m2-3m。 缺陷：采集數(shù)據(jù)工作量大，而且為了達(dá)到較高的精度，

7、固定點AP的位置測算設(shè)置比較繁瑣。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 11 二、RFID射頻識別典型系統(tǒng) RSSIRSSI技術(shù)技術(shù) 定位算法從定位手段上分為兩大類：基于測距算法（range-based）和無需測距算法（range-free）；根據(jù)部署場合分為室內(nèi)定位和室外定位?；跍y距算法通過測量節(jié)點間的距離或角度，使用三邊測量、三角測量或最大似然估計定位法計算節(jié)點位置。RSSI=-（A+10nlgd）2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 12 二、RFID射頻識別典型系統(tǒng) II、ZigBee ZigBeeZigBee技術(shù)應(yīng)用于較短距離無線通信，主要面向無線個人區(qū)域網(wǎng)（PAN），

8、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在應(yīng)用中表現(xiàn)出近距離，低功耗，低成本等特征，這些都可以滿足室內(nèi)定位系統(tǒng)的要求和條件。 精度：精度：2m2m以內(nèi)，平均以內(nèi)，平均1m1m。 缺陷：網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性還有待提高，易受環(huán)境干擾。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 13 二、RFID射頻識別總結(jié) 上述幾種定位技術(shù)的定位精度都還比較滿意，從總體上來說，射頻識別技術(shù)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中較為適合，實現(xiàn)起來比較方便，定位精度讓人滿意，且造價較低。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 14 三、藍(lán)牙(BLUETOOTH)室內(nèi)定位原理 藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)通過測量信號強(qiáng)度進(jìn)行定位。這是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)，在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局

9、域網(wǎng)接入點，把網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點始終是這個藍(lán)牙微網(wǎng)(piconet)的主設(shè)備，就可以獲得用戶的位置信息。藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用于小范圍定位，例如單層大廳或倉庫。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 15 三、藍(lán)牙(BLUETOOTH)室內(nèi)定位系統(tǒng)實例 一蘋果室內(nèi)定位 iBeacon是蘋果公司開發(fā)的一種通過低功耗藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行一個十分精確的微定位技術(shù)。通過此技術(shù)設(shè)備可以接收一定范圍由其他iBeacons發(fā)出來的信號，同時也可以把你的信息在一定范圍內(nèi)傳給其他用戶。 所有搭載有藍(lán)牙4.0以上版本和iOS7的設(shè)備都可以作為iBeacons技術(shù)的發(fā)射器和接收器2

10、014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 16 三、藍(lán)牙(BLUETOOTH)室內(nèi)定位系統(tǒng)實例 iBeacons是蘋果在2013年WWDC上推出一項基于藍(lán)牙4.0（Bluetooth LE | BLE | Bluetooth Smart）的精準(zhǔn)微定位技術(shù)，當(dāng)你的手持設(shè)備靠近一個Beacon基站時，設(shè)備就能夠感應(yīng)到Beacon信號，范圍可以從幾毫米到50米。iBeacons相比較于原來的藍(lán)牙技術(shù)有幾個特點：首先它不需要配對，蘋果在之前對藍(lán)牙設(shè)備的控制比較嚴(yán)格，所以只有通過MFI認(rèn)證過的藍(lán)牙設(shè)備才能與iDevice連接，而藍(lán)牙4.0就沒有這些限制了；準(zhǔn)確與距離。普通的藍(lán)牙（藍(lán)牙4.0之前）一般的傳

11、輸距離在0.110m，而iBeacons信號可以精確到毫米級別，并且最大可支持到50m的范圍；功耗更低。其實藍(lán)牙4.0又叫低功耗藍(lán)牙，一個普通的紐扣電池可供一個Beacon基站硬件使用兩年。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 17 三、藍(lán)牙(BLUETOOTH)室內(nèi)定位系統(tǒng)實例 對比NFC，它最大的技術(shù)優(yōu)勢就是其傳輸?shù)木嚯x非常遠(yuǎn)，最高可達(dá)50m，當(dāng)然，為了傳輸效果，推薦的最大距離是10m。即使是10m，這也比NFC的幾厘米到20厘米的限制小得多了。而且，iBeacons是可以通過建立基站來傳輸數(shù)據(jù)的，比如 nfc的某個應(yīng)用場景-讀取商品信息。雖然nfc標(biāo)簽的價格很便宜，但如果在每種商品

12、上都添加nfc標(biāo)簽，整個商場的成本也會比較高，更何況還要你把手機(jī)“touch”一下標(biāo)簽才行。但iBeacons可以通過建立數(shù)個基站覆蓋整個商場，向你的手機(jī)發(fā)送商品信息，成本可以有效控制，使用起來也很方便，不需要“touch”就可以獲得信息。 另一個技術(shù)優(yōu)勢是其傳輸數(shù)據(jù)的速度比nfc要快，更適合傳輸一些較大的數(shù)據(jù)。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 18 三、藍(lán)牙(BLUETOOTH)室內(nèi)定位系統(tǒng)實例2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 19 三、藍(lán)牙(BLUETOOTH)室內(nèi)定位系統(tǒng)實例 高通Gimbal 據(jù)科技資訊公司TechMediaNetwork報道，高通日前推出了叫板iB

13、eacon的“Gimbal”平臺，它能利用Bluetooth Smart藍(lán)牙技術(shù)向店內(nèi)顧客推送基于其具體位置的通知消息。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 20 三、藍(lán)牙(BLUETOOTH)室內(nèi)定位思考 應(yīng)用關(guān)鍵在于手機(jī)應(yīng)用與平臺的設(shè)計，可考慮信息獲取、室內(nèi)導(dǎo)航等應(yīng)用?？煽紤]大型商場、展覽館等。應(yīng)用平臺進(jìn)入店鋪帶有iBeacon應(yīng)用的消費者預(yù)設(shè)好iBeacon基站進(jìn)入基站范圍內(nèi)，觸發(fā)與服務(wù)器的交互并獲取相關(guān)服務(wù)2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 21 四、基于路標(biāo)的室內(nèi)定位 利用安裝在待定位目標(biāo)上的攝像機(jī)來連續(xù)采集路標(biāo)圖象，通過對路標(biāo)圖像分析處理，提取路標(biāo)包含信息，得到路標(biāo)與

14、待定位目標(biāo)的相對位置，再根據(jù)路標(biāo)在全局中的位置，推知待定位目標(biāo)在全局中的絕對位置。 目標(biāo)位置 路標(biāo)位置 全局位置2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 22 四、基于路標(biāo)的室內(nèi)定位 這種方法需要對定位環(huán)境處在已知狀態(tài)，并事先鋪設(shè)路標(biāo)，鋪設(shè)地點最好選在空曠無視野障礙的地方（天花板是較不錯的選擇），以防止阻礙攝像機(jī)對路標(biāo)圖像的采集，每個路標(biāo)需包含獨特的位置信息。 這是一種路標(biāo)放置方案， 路標(biāo)有序排列為一個矩陣 得到了路標(biāo)位置即得到了 待定位目標(biāo)在整個矩陣中 的位置。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 23 四、基于路標(biāo)的室內(nèi)定位 那么我們?nèi)绾蔚玫铰窐?biāo)在矩陣中的位置信息呢？ 答案是通過路

15、標(biāo)本身，路標(biāo)在矩陣中的位置信息就包含在路標(biāo)本身之中。通過對路標(biāo)本身的圖像分析處理，我們可以提取這些信息。 （1 1）隔離區(qū)。其作用在于通過形狀和顏色特征以便于路標(biāo)的檢測、判別和提取，其外廓形狀為圓形，并采用一些對比強(qiáng)烈的色彩，如綠色，紅色等。（2 2）判別區(qū)。其作用在于：1）進(jìn)一步描述路標(biāo)特征；2）反映數(shù)據(jù)區(qū)中數(shù)據(jù)的讀取規(guī)則判別區(qū)由黑白方塊組成，其中黑色方塊代表二進(jìn)制的0，白色方塊代表二進(jìn)制的1。（3 3）數(shù)據(jù)區(qū)。由86 個黑白方塊組成，內(nèi)含路標(biāo)實際位置坐標(biāo)2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 24 四、基于路標(biāo)的室內(nèi)定位 路標(biāo)識別和路標(biāo)識別和信息提取信息提取 路標(biāo)識別基本思路是利用不同

16、顏色特征對圖像進(jìn)行閾值分割2，獲得二值圖像，然后尋找包含路標(biāo)特征信息的連通域，從中提取出路標(biāo)所包含的信息。 （1 1）隔離區(qū)。其作用在于通過形狀和顏色特征以便于路標(biāo)的檢測、判別和提取，其外廓形狀為圓形，并采用一些對比強(qiáng)烈的色彩，如綠色，紅色等。 隔離區(qū)的作用就是將路標(biāo)與背景分開，從而區(qū)別出包含信息的圖像部分，再對這部分進(jìn)行針對性的處理。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 25 四、基于路標(biāo)的室內(nèi)定位判別區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的分割。路標(biāo)的數(shù)據(jù)區(qū)和判別區(qū)由1010 的黑白方塊組成，如圖 所示。首先利用Hough 算法提取滿足如下條件的四條直線l11，l12，l21，l22 并進(jìn)行分組： |l11l1

17、2|1and |l21l22|1； | l11l2190|2 and | l11l2290|2and | l12l2190|2 and | l12l2290|2； | lA11lA12| lA21lA22|3；其中l(wèi)11，l12，l21，l22和lA11，lA12，lA21，lA22 分別為四條直線對應(yīng)的角度和幅值，1、2、3 為閾值，取10、30、15。然后，以l11，l12，l21，l22 為基礎(chǔ)生成9 條直線，每組直線之間近似平行和等間距，假設(shè)這四條直線的斜率和節(jié)距分別為ka11，ka12，ka21，ka22 和ba11，ba12，ba21，ba22，則直線l1i(i=111)和l2i(

18、i=1.11)的斜率kji 和節(jié)距bji 分別為（新直線組中l(wèi)11=l11，l111= l12，l21= l21，l211= l22），其中j=1,2，i=1,2,.,11：2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 26 四、基于路標(biāo)的室內(nèi)定位 路標(biāo)路標(biāo)判別區(qū)內(nèi)容判別區(qū)內(nèi)容判別判別 路標(biāo)最終存在如圖所示的4 種情況，圖中數(shù)字代表數(shù)組A 的下標(biāo)，箭頭表示數(shù)據(jù)讀取方向。因此分別判斷以數(shù)組元素(2，1)和(3，1)為首的兩列、以(10，2)和(10，3)為首的兩行、以(9，10)和(8，10)為首的兩列、以(1，9)和(1，8) 為首的兩行數(shù)組元素是否滿足1010101011 和110101010

19、1 的數(shù)字組合。如果是則說明該連通域是路標(biāo)區(qū)域并確定判別區(qū)原點C。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 27 四、基于路標(biāo)的室內(nèi)定位 由判別域的識別后，我們可以得到數(shù)據(jù)信 息的讀取規(guī)則，由此，同樣以黑色方塊代 表二進(jìn)制的0，白色方塊代表二進(jìn)制的1， 讀取數(shù)據(jù)區(qū)中信息，得到該路標(biāo)在整個路 標(biāo)矩陣中的位置。實現(xiàn)定位的目的。2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 28 四、基于路標(biāo)的室內(nèi)定位單片機(jī)RS232PC機(jī)攝像頭電機(jī)無線模塊無線模塊圖像采集模塊圖像處理模塊通訊模塊2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 29 四、基于路標(biāo)的室內(nèi)定位 圖像采集模塊圖像采集模塊 JPEG300 數(shù)碼像

20、機(jī)模塊 主要特性 30萬像素CMOS彩色圖像傳感器。 數(shù)據(jù)接口為8位并行接口，可以與單片機(jī)直接連接。 輸出圖像分辨率160 x128、320 x240、640 x480。 輸出圖像為標(biāo)準(zhǔn)JPG格式文件。 輸出最大幀速5幀/秒，最大數(shù)據(jù)率22K字節(jié)/秒。 電路板尺寸50 x70mm。 供電電壓5V，電流90mA。 JPEG300是一個具備視頻捕捉和壓縮功能的攝像機(jī)，功能類似于數(shù)碼像機(jī)。JPEG300將攝像機(jī)、視頻捕捉、視頻壓縮、8位數(shù)據(jù)接口等功能集成在一塊電路板上，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。 2014/6/2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 30 四、基于路標(biāo)的室內(nèi)定位 單片機(jī)單片機(jī) 89S51 P0口（P0.7P0.0）：既可做地址/數(shù)據(jù)總線使用，又可作為通用 的I/O口使用。 P1口（P1.7P1.0）：8位、雙向I/O口、內(nèi)部含有行拉電阻。 P1 可作為普通I/O口。 P2口（P2.7P2.0）：用作輸出口時，可驅(qū)動四個TTL負(fù)載；用作