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学士学位论文:室内定位与识别的研究与设计

发表时间:2016/11/26 15:44:53

学士学位论文:室内定位与识别的研究与设计

摘 要
在无线定位领域,全球定位系统(GPS)是最成功,也最出名的无线定位系统。但GPS信号在室内环境中非常微弱,基本上不能成功定位。因此,研究一种适合于室内无线环境的定位系统有重要的理论和现实意义。为了提高室内定位精度,人们提出了多种适用于室内环境的定位技术,主要研究方向有蜂窝无线定位、无线局域网定位、红外线定位、超声波定位以及RFID定位等[1]。目前,国内外已出现的室内定位系统有GSM、CDMA、Active Badge、RADAR以及Active Bat等。而射频识别技术(RFID)的非视距识别、标签低成本和较快的工作速度等优点使其成为高精度,低成本,大规模目标室内定位的首选技术。本文主要论述基于RFID的室内定位系统的工作原理,并对其应用和发展作一些普及。


关键词:单片机; 室内定位系统; 射频识别(RFID); 原理; 应用;

Abstract
In the field of wireless location,the Global Positioning System (GPS) is the most successful and famous wireless positioning system. However, due to the weak GPS positioning satellite signal, you can substantially not get location successfully indoor. Therefore, the study of a positioning system suitable for indoor wireless environment has important theoretical and practical significance itself. In order to improve the positioning accuracy, people put forward position technology more suitable for indoor environment, the main research direction of cellular wireless location, location, location, infrared wireless LAN ultrasonic positioning and RFID positioning. At present, the indoor positioning system at home or abroad have appeared to have GSM, CDMA, Active Badge, RADAR and Active Bat. The advantages of the radio frequency identification (RFID) technology such as non-line-of-sight to identify and label of low cost making it the best technology for high-precision, low-cost, large-scale target indoor positioning. This paper discusses the RFID indoor positioning system works, and the application and development of some popularity.

Keywords: Micro Controller Unit; Indoor Location-sensing System; Radio Frequency of Identification; elements; Application

目 录
Abstract IV
目 录 V
第1章 绪 论 1
1.1 本论文的背景和意义 1
1.2 本论文的主要方法和研究进展 1
1.3 本论文的主要内容 3
1.4 本论文的结构安排 3
第2章 硬件各元器件介绍及其使用 3
2.1 单片机概述 3
2.2 AT89C51 3
2.3 单片机功能特性概述 4
2.4 RFID介绍 7
第3章 系统设计 10
3.1 电路工作原理: 10
3.2 软件设计 14

……(新文秘网https://www.wm114.cn省略3039字,正式会员可完整阅读)…… 
存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚 备选功能
P3.0 R*D(串行输入口)
P3.1 T*D(串行输出口)
P3.2 /INT0(外部中断0)
P3.3 /INT1(外部中断1)
P3.4 T0(计时器0外部输入)
P3.5 T1(计时器1外部输入)
P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)
P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOV*,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
*TAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
*TAL2:来自反向振荡器的输出。













单片机
2.4 RFID介绍
2.4.1 系统工作原理
RFID(Radio Frequency of Identification)系统称为射频识别系统, 其能量供应和数据交换是应用无线电和雷达技术实现的。系统一般是由两部份组成—阅读器、应答器。
1、应答器放在需要识别的物体上, 可以发送和接收信息, 可根据收到的操作命令作读写等处理。
2、阅读器是采集应答器信息并对应答器发出操作命令的装置,发出的命令包含选择、读写、取消选择命令等。
一台典型的阅读器包含有高频模块(发送单元和接收单元)、控制单元以及与应答器连接的祸合元件。此外, 阅读器还应该有附加接口, 以便将获得数据进一步传给另外的系统(计算机、机器人控制装置等)。
应答器是RFID系统的数据信息载体, 由藕合元件以及微电子芯片组组成。它具有智能读写及加密通信的能力。一般是无源的, 即内部不含电源, 工作时, 接收阅读器发出的射频电磁波, 经内部整流、电容稳压后作为电源。此外还有有源应答器, 一般是由电池供电, 可以在较高频段工作, 识别距离较长,和阅读器之间的通信速率也较高。系统的基本工作流程是阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号, 当应答器进人发射天线工作区域时产生感应电流, 应答器获得能量被激活应答器将自身编码等信息通过其内置发送天线发送出去系统接收天线接收到从应答器发送来的载波信号, 经天线调节器传送到阅读器, 阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理主系统根据逻辑运算判断该应答器的合法性, 针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作[1]。
2.4.2 RFID的特点
射频识别系统最大的优点是非接触识别,它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境来对标签进行读取,并且阅读速度极快,大多数情况下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点,可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。
2.4.3 nRF24L01
RFID射频模块部件多种多样,基于性价比的考虑我选择了nRF24L01。
概述:
nRF24L01 是一款工作在2.4~2.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片无线收发器包括:频率发生器增强型SchockBurstTM 模式控制器功率放大器晶体振荡器调制器解调器输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。
极低的电流消耗当工作在发射模式下发射功率为-6dBm 时电流消耗为9.0mA, 接收模式时为12.3mA,掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
性能参数:
◆ 小体积,QFN20 4*4mm封装 
◆ 宽电压工作范围,1.9V~3.6V,输入引脚可承受5V电压输入 
◆ 工作温度范围,-40℃~+80℃ 
◆ 工作频率范围,2.400GHz~2.525GHz 
◆ 发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm
◆ 数据传输速率支持1Mbps、2Mbps
◆ 低功耗设计,接收时工作电流12.3mA,0dBm功率发射时11.3mA,掉电模式时仅为900nA 
◆ 126个通讯通道,6个数据通道,满足多点通讯和调频需要 
◆ 增强型“ShockBurst”工作模式,硬件的CRC校验和点对多点的地址控制
◆ 数据包每次可传输1~32Byte的数据
◆ 4线SPI通讯端口,通讯速率最高可达8Mbps,适合与各种MCU连接,编程简单 
◆ 可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度 
◆ MCU可通过IRQ引脚快判断是否完成数据接收和数据发送


nRF24L01









第3章 系统设计
3.1 电路工作原理:
系统组成框图:
这是以一发一收作为初步考虑的系统组成。发射端发射信号,接收端能准确接收并显示相应发送信息。


对于发送端,按键和LED指示灯的接法如下图所示:






发射端电路图
单片机P1口输出高电平,当有按键按下的时候,相应的IO口会被拉成低电平,与此同时,对应相连的LED由VCC通过限流电阻到地导通发亮,限流电阻采用470欧姆。
单片机的最小系统图如下,采用上电复位的方法实现复位:

单片机电路图

nRF24L01模块是集成系统的,有8个引脚跟外界通信,引脚如下图所示:

nRF24L01版图

引脚对应如下图所示:
GND:电源地 VCC:电源,3V左右
CE:模式选择 CSN:SPI使能
SCK:SPI时钟 MISO:SPI输出
MOSI:SPI输入 IRQ:中断响应


对于接收端,数码管显示和蜂鸣器与单片机的接法如下图所示:

接收端电路图
如图采用的是共阴数码管,当单片机引脚输出高电平的时候,对应的段亮起,为增强亮度,在单片机的IO口接一个上拉的排阻,大小470欧姆。蜂鸣器需要一个晶体管的驱动,采用的是S9013晶体管,当P3.7输出高电平时,晶体管导通,蜂鸣器鸣响,蜂鸣器采用有源蜂鸣器,上电长响。
除此之外,单片机的最小系统以及与nRF24L01的接口是和发送端一致的,复位电容10uF,复位电阻10k,晶振采用12MHz,补偿电容30pF。
SPI的读时序:

SPI写时序:





nRF24L01的模式选择:


nRF24L01的指令格式:

3.2 软件设计
1、主要的软件模块:

主函数main.c:程序入口,系统运行的主干;
nRF.c: 对nRF24L01的所有读写操作,配置nRF24L01;
SPI.c:SPI的底层通信协议。
nRF.h:nRF.c对应的头文件,包含nRF24L01的指令和寄存器地址信息。





















2、流程图:

发送端流程图:













否 否










接收端流程图:









接受中断服务程序流程图:









3、测试结果:
测试仪器:
做好的无线收发系统;
测试方法:
收发模块上电,间隔不同的距离,按下发送端的不同按钮,看收发端的测试结果是否与预期的一致。
测试结果:

距离 0号键 1号键 2号键 3号键 4号键
5m 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响
10m 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响
15m 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响
20m 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响 正常显示鸣响
4、射频模块的识别:
经过上述的设计与调试,系统的基本工作单元已基本完成,接下来的任务是行多个发射端对一个接收端的设计。
根据nRF24L01的参考数据可知,该射频模块可通过对发射端的发射功率进行调节来改变其发射距离,只要距离足够短,即可在一定范围内对多个发射端进行识别接收而不被另外的发射端干扰,由此来进行识别。






系统定位识别示意图
如图所示,当发射端处于不同的位置,即图中的基站,接收端作为终端只要处于发射端的信号覆盖范围之中,即可只接收该发射端的信号从而进行识别。但这种方式只能作简单的识别,若像示意图那样若干发射端信号覆盖范围有交集的话,接收端就不能确定接收的是哪一个信号导致定位识别失败。同样的,若发射端的覆盖范围是没有相交的圆形区域,那样也会造成一定范围的信号真空区域,要想提高定位识别精度的话,就必须要进行进一步的定位算法研究。
就nRF24L01而言,在室外空旷场所,信号覆盖能达到30米以上。而室内环境复杂,各种阻挡的障碍物较多,调节发射功率之后覆盖范围应该有5~15米,因此,该系统可以在一定精度误差范围内满足室内定位与识别的要求。









总结
本文通过对室内定位与识别系统的分析,选择了基于单片机与射频识别模块制作的硬件系统,初步完成了系统的研究与设计,最终认为具有非接触、非视距的RFID技术是该领域的优选方案。但室内的复杂环境以及各种干扰使得RFID技术的定位效果难以进一步提高。如何降低误差可从两方面入手。一是改进硬件系统,使其更适用与当前环境,根据应用环境中不同的障碍物分布,优化布置阅读器和参考标签。二是研究定位算法,优化软件结构,提高精度,排除各标签间的干扰将能提供更高的定位结果。
本课题的一些工作还将继续深入展开,主要有以下几方面:
1.设计更高性能的RFID阅读器和电子标签。
2.研究定位算法,提高定位精度,并设计用户界面友好的软件。


参考文献
[1]《基于射频识别(RFID)的室内定位系统研究》 ,刘宗元,硕士学位论文,2009
[2]《射频识别(RFID)技术及其应用》 ,李锦涛,郭俊波,罗海勇,曹岗,冯波,陈益强,信息技术快报,2004-11-6
[3]《基于射频识别技术的室内定位系统》 龚轩涛,刘志勤,岳江峰、钟杰著 《中国防伪报道》2009年03期
[4]《MSP 430单片机基础与实践》 [CD-ROM],谢兴红, 林凡强, 吴雄英编著,_航空航天大学出版社,2008.1
[5]《CC430无线传感网络平台基础与实践》,林凡强, 马晓茗,谢兴红编著,_航空航天大学出版社,2012.10
[6]《无线射频识别 (RFID) 技术基础》,彭力编著,_航空航天大学出版社,2012.9
[7]《RFID物联网世界最新应用(日)》 三宅信一郎, 周文豪编著,_理工大学出版社,2012.7
[8]《无线网络 [CD-ROM]:通讯协议、感测网络、射频技术与应用服务》,曾煜棋[等]著,碁峰资讯股份有限公司,2011.8
[9]《射频识别(RFID)技术》,Klaus Finkenzeller著,陈大才译,电子工业出版社,2001



附 录
整机电路原理图:

接收端整机电路原理图
发送端整机电路原理图

PCB版图:







发送端PCB 接收端PCB


程序源代码:
发送端程序:
Main.c:
#include
#include
#include "nRF.h"

#define DATA_WIDTH 1 //注意和文件nRF.c中定义的保持一致!

/***********函数和全局变量声明:来自源文件nRF.c*******/
e*tern uchar T*_Buf[DATA_WIDTH];
e*tern uchar R*_Buf[DATA_WIDTH];

bit flag=0;

e*tern void Init_nRF(void);
e*tern void T*_Mode(void);
e*tern void Write_T*_Data(void);
e*tern uchar ReadConfigReg(uchar RegAddr);

void Delay5ms(void) //按键消抖延时程序
{
uchar i,j,k;
for(i=5;i>0;i--)
for(j=4;j>0;j--)
for(k=124;k>0;k--);
}

void Init_MCU()
{
EA=0;
E*1=0;
E*0=1;
IT0=1;
}

void ButtonDown()
{
P1=0*ff;
_nop_();
_nop_();
if(P1==0*ff)
{
flag=0;
return;
}
else //有按键按下
{
Delay5ms();
if(P1==0*ff)
{
flag=0;
return;
}
else if(flag==0) //确定是按键稳定按下
{
flag=1;
switch(P1)
{
case 0*7f: //0
T*_Buf[0]=0*00;
break;
case 0*bf: //1
T*_Buf[0]=0*60;
break;
case 0*df: //2
T*_Buf[0]=0*DA;
break;
case 0*ef: //3
T*_Buf[0]=0*F2;
break;
case 0*f7: //4
T*_Buf[0]=0*6;
break;
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