论文部分内容阅读
摘要：随着手机、可穿戴设备等新型移动设备的流行，位置感知发挥了越来越重要的作用，GPS定位技术在室外能够起到比较良好定位效果，但无法在室内进行准确定位，难以满足人民日常生活需求。该文设计一种室内定位系统，通过WiFi定位技术，就可对室内物体进行准确定位，弥补了GPS技术在室内环境下的弊端[1]。实验结果表明，该系统可以较为准确定位主机位置，误差范围可以接受。
关键词：单片机;WIFI;ESP8266;室内定位
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）35-0249-02
1 背景
现如今许多地图软件都具有定位导航的功能，大部分采用的是GPS技术，其在室外可以提供良好的定位服务，但并没提供室内定位服务，究其原因在于GPS信号在传输过程受到墙体的阻碍，从而无法对室内物体进行准确定位。随着互联网技术的快速发展，人们对室内定位数据的需求急剧增加，尤其是仓库货物定位、大型场所人员跟踪等。
近几年无线技术迅速发展，WiFi网络的覆盖率越来越高，在众多室内定位技术中，WiFi室内定位技术[2]能够弥补在室内环境下GPS技术无法定位或定位不准确的缺点，采用AP接入点的方式，改变了传统的依赖基站来获取WiFi位置信息，使得资源的获取变得更加方便而且不受限制，同时在利用WiFi网络的基础上，大大减少了室内定位所需的成本和建设，提高了定位精度。
2 设计原理
由主机向三角[3]的从机发送AT指令，如图1所示，实时获取三个从机的信号能量大小，然后将信号能量通过公式（1）（2）转化为距离，从而达到定位的效果。
上图中的S1，S2，S3可通过下式予以计算：
其中：S表示计算算距离
RSSI表示接收信号强度
A表示发射端与接收端的信号强度
n表示环境衰减因子
L表示两个从机之间的距离
以其中一个顶点建立直角坐标系，由勾股定理可得：
其中x1，y1为定位坐标，通过以上算法可实现室内定位。
3 硬件设计
此定位系统由控制系统、WiFI模块、显示模块、按键模块、蜂鸣器模块等组成。如图1所示将三个WIFI模块分别放置三角形区域的顶点处，控制系统放置在区域中心，控制系统向WI-Fl模块发送AT指令，获取信号能量，通过公式（3）计算出控制系统的实时位置，通过显示模块进行显示，可通过按键模块设置预期位置区域，当控制系统到达指定位置区域时，蜂鸣器进行报警。[4]
3.1主机
控制模块采用8051单片机[5]怍为主控芯片，其IO口与独立按键、LCD1602、蜂鸣器链接，通信串口与ESP8266相连接。通过按压设置、加、减等独立按键输入预定测量区域，当主机移动到区域内蜂鸣器报警，LCD1602显示屏实时显示主机所在位置的坐标。
3.2从机
WiFi模块由ESP8266最小系统构成，集成了超低功耗32位微型处理器，内配闪存，具有强大的片上处理和存储能力。片内集成了Wi-Fi MAC，板载天线，可以接收和发送WIFI信号，通讯距离73到337米，极大地满足了室内定位的需求。单片机与ESP8266进行串口通信，通过WiFi方式向远处三个ESP8266模块发送AT指令，就可以得到当前可加入wifi信号的信息，其中包括RSSI信号强度[6]，由此就可以计算主机从机之间的距离S。
4 软件设计
在keil和Arduino环境下，使用C语言编写控制程序，程序流程图如图5所示，软件系统首先对各模块进行初始化，包括LCD显示屏、WiFi模块、51单片机串口通信等，初始化完成后，读取独立按键输入的參数和WiFi模块返回的信号强度，然后进无限循环，在LCD显示屏上实时显示定位信息，直到主机到达预定区域位置。[7]
5 实验测试
在室内选择一块边长为一米的等边三角形区域，以10厘米为间隔，用粉笔画出坐标系。首先设置主机预定轨迹，将三个从机分别放置在三角形顶点处，之后将主机依次放置在预设轨迹与坐标格的交点上，记录每次定位的坐标在MATLAB中做出对比图。从对比图与分析数据上可看出，测试的轨迹大致与预定轨迹相符，误差大约在6.5%左右，达到预期精度。
6 结束语
本文基于WiFi技术设计了室内定位系统，基本完成了预期设定的功能，可以较为准确地定位主机位置，解决了GPS在室内无法定位的弊端，可以满足人民日常生活预期。但当室内物体较多或者通信质量不稳定时，还会产生较大的误差，所以还需进行更多的测试和改进，提高算法或者增加硬件，不断积累经验，已达到更好质量的室内定位服务。
参考文献：
[1]董伟梁.室内定位技术的比较与问题探讨[J].计算机产品与流通，2019（7）：171.
[2]李佳.基于GPS/WiFi/蜂窝的室内外无缝定位技术研究及定位系统设计[D].成都：西南交通大学，2016.
[3]陆霞.WiFi定位技术——基于质心定位的三边定位算法的研究[J].电脑知识与技术，2013，9（25）：5765-5767.
[4]陆音，缪辉辉.复杂室内环境下的WiFi定位技术研究[J].计算机科学，2016，43（11）：152-154.
[5]赵燕，李炜.基于STC单片机的GPS定位显示系统设计[J].南京工业职业技术学院学报，2014，14（4）：25-28.
[6]姚碧超.室内WiFi定位技术研究[D].成都：电子科技大学，2017.
[7]李李漫丝.基于ESP8266的无线定位室内寻物系统设计[J].电子质量，2019（6）：42-45.
【通联编辑：谢媛媛】
收稿日期：2019-10-19
作者简介：杨钊（1998-），男，黑龙江哈尔滨人，本科，研究方向为电子信息工程。
关键词：单片机;WIFI;ESP8266;室内定位
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）35-0249-02
1 背景
现如今许多地图软件都具有定位导航的功能，大部分采用的是GPS技术，其在室外可以提供良好的定位服务，但并没提供室内定位服务，究其原因在于GPS信号在传输过程受到墙体的阻碍，从而无法对室内物体进行准确定位。随着互联网技术的快速发展，人们对室内定位数据的需求急剧增加，尤其是仓库货物定位、大型场所人员跟踪等。
近几年无线技术迅速发展，WiFi网络的覆盖率越来越高，在众多室内定位技术中，WiFi室内定位技术[2]能够弥补在室内环境下GPS技术无法定位或定位不准确的缺点，采用AP接入点的方式，改变了传统的依赖基站来获取WiFi位置信息，使得资源的获取变得更加方便而且不受限制，同时在利用WiFi网络的基础上，大大减少了室内定位所需的成本和建设，提高了定位精度。
2 设计原理
由主机向三角[3]的从机发送AT指令，如图1所示，实时获取三个从机的信号能量大小，然后将信号能量通过公式（1）（2）转化为距离，从而达到定位的效果。
上图中的S1，S2，S3可通过下式予以计算：
其中：S表示计算算距离
RSSI表示接收信号强度
A表示发射端与接收端的信号强度
n表示环境衰减因子
L表示两个从机之间的距离
以其中一个顶点建立直角坐标系，由勾股定理可得：
其中x1，y1为定位坐标，通过以上算法可实现室内定位。
3 硬件设计
此定位系统由控制系统、WiFI模块、显示模块、按键模块、蜂鸣器模块等组成。如图1所示将三个WIFI模块分别放置三角形区域的顶点处，控制系统放置在区域中心，控制系统向WI-Fl模块发送AT指令，获取信号能量，通过公式（3）计算出控制系统的实时位置，通过显示模块进行显示，可通过按键模块设置预期位置区域，当控制系统到达指定位置区域时，蜂鸣器进行报警。[4]
3.1主机
控制模块采用8051单片机[5]怍为主控芯片，其IO口与独立按键、LCD1602、蜂鸣器链接，通信串口与ESP8266相连接。通过按压设置、加、减等独立按键输入预定测量区域，当主机移动到区域内蜂鸣器报警，LCD1602显示屏实时显示主机所在位置的坐标。
3.2从机
WiFi模块由ESP8266最小系统构成，集成了超低功耗32位微型处理器，内配闪存，具有强大的片上处理和存储能力。片内集成了Wi-Fi MAC，板载天线，可以接收和发送WIFI信号，通讯距离73到337米，极大地满足了室内定位的需求。单片机与ESP8266进行串口通信，通过WiFi方式向远处三个ESP8266模块发送AT指令，就可以得到当前可加入wifi信号的信息，其中包括RSSI信号强度[6]，由此就可以计算主机从机之间的距离S。
4 软件设计
在keil和Arduino环境下，使用C语言编写控制程序，程序流程图如图5所示，软件系统首先对各模块进行初始化，包括LCD显示屏、WiFi模块、51单片机串口通信等，初始化完成后，读取独立按键输入的參数和WiFi模块返回的信号强度，然后进无限循环，在LCD显示屏上实时显示定位信息，直到主机到达预定区域位置。[7]
5 实验测试
在室内选择一块边长为一米的等边三角形区域，以10厘米为间隔，用粉笔画出坐标系。首先设置主机预定轨迹，将三个从机分别放置在三角形顶点处，之后将主机依次放置在预设轨迹与坐标格的交点上，记录每次定位的坐标在MATLAB中做出对比图。从对比图与分析数据上可看出，测试的轨迹大致与预定轨迹相符，误差大约在6.5%左右，达到预期精度。
6 结束语
本文基于WiFi技术设计了室内定位系统，基本完成了预期设定的功能，可以较为准确地定位主机位置，解决了GPS在室内无法定位的弊端，可以满足人民日常生活预期。但当室内物体较多或者通信质量不稳定时，还会产生较大的误差，所以还需进行更多的测试和改进，提高算法或者增加硬件，不断积累经验，已达到更好质量的室内定位服务。
参考文献：
[1]董伟梁.室内定位技术的比较与问题探讨[J].计算机产品与流通，2019（7）：171.
[2]李佳.基于GPS/WiFi/蜂窝的室内外无缝定位技术研究及定位系统设计[D].成都：西南交通大学，2016.
[3]陆霞.WiFi定位技术——基于质心定位的三边定位算法的研究[J].电脑知识与技术，2013，9（25）：5765-5767.
[4]陆音，缪辉辉.复杂室内环境下的WiFi定位技术研究[J].计算机科学，2016，43（11）：152-154.
[5]赵燕，李炜.基于STC单片机的GPS定位显示系统设计[J].南京工业职业技术学院学报，2014，14（4）：25-28.
[6]姚碧超.室内WiFi定位技术研究[D].成都：电子科技大学，2017.
[7]李李漫丝.基于ESP8266的无线定位室内寻物系统设计[J].电子质量，2019（6）：42-45.
【通联编辑：谢媛媛】
收稿日期：2019-10-19
作者简介：杨钊（1998-），男，黑龙江哈尔滨人，本科，研究方向为电子信息工程。