高精度低功耗室内外无缝定位的实验室物品追踪管理系统设计

曹 佳， 严培辉， 刘江华， 张澄宇， 李小明

(1.武汉大学 基础医学实验教学示范中心,武汉 430071；2.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079)

0 引 言

随着高校对生物、医学的研究和教学越来越重视，生物医学实验室平台的建设也成为了重点。对实验室中易燃易爆试剂、有毒试剂、易挥发性试剂以及重大仪器设备的追踪成为了各高校亟需解决的问题。现有的实验室物品追踪主要靠实验室管理人员手工记录物品大致的存放位置，无法对其进行室内外精确定位。针对这一问题国内外研究人员开发了相应的物品跟踪定位系统，如基于RFID追踪识别技术的供应室消毒物品追溯管理系统[1]，基于ZigBee技术的医院跟踪定位系统[2]，基于WiFi指纹的室内定位系统[3]等，但这些系统只解决了物品的室内追踪，一旦物品离开实验室就不知其去向。

为此，本文设计了一种基于蓝牙与GPS/北斗室内外无缝定位追踪管理系统[4-5]，该系统具有定位精度高，低功耗，高稳定性，低成本等优势，解决了生物医学实验室物品在室内外高精度定位追踪管理的问题[6-7]。

1 系统整体设计

本文设计的物品追踪管理系统原理框图如图1所示，该系统主要由实验室危险试剂数据库、重大仪器数据库、物品追踪管理中心、用户APP以及定位追踪器组成。定位追踪器与易燃易爆试剂、有毒试剂、易挥发性试剂和重大仪器设备等相连接。在室内，定位追踪器利用蓝牙进行定位；在室外，追踪器利用GPS/北斗组合定位，将得到的定位信息发送到物品追踪管理中心，物品追踪管理中心对该信息进行处理然后存储到相应的数据库中，当用户需要查看物品位置信息时，通过手机APP[8]链接到物品追踪管理中心调出相应的数据信息进行查看。

图1 物品追踪管理系统原理框图

1.1 室内定位追踪设计

本系统对物品的室内定位追踪采用蓝牙定位的方法，蓝牙定位追踪基本功能框图如图2所示，它由n个蓝牙标签和定位追踪器组成，利用n个蓝牙标签构建一个蓝牙信号区域，当定位追踪器进入该区域时，接收蓝牙标签发出的无线电信号，通过测量接收信号强度指标(RSSI)值[9-10]来计算定位追踪器的位置。

图2 蓝牙定位追踪基本功能框图

蓝牙室内定位[11-12]过程由离线指纹库的建立和在线定位两个阶段共同完成：离线阶段，建立模糊指纹库，该指纹库较为全面地描述了定位区域内RSSI值与空间位置的对应关系，并存储于数据库中；在线阶段，定位追踪器进入定位区域，搜寻附近的蓝牙标签信号，将测量到的RSSI值返回给物品追踪管理中心，最后将数据上传到数据库，在数据库中完成对定位追踪器位置的确定。

1.2 室外定位追踪设计

室外定位追踪采用GPS/北斗组合的方法，该方法在定位精度上可达到亚米级。GPS/北斗定位追踪基本功能框图如图3所示，首先GPS/北斗定位导航模块接收到卫星定位信号，利用基带模块对其进行处理，得到当前的位置信息，将该信息发送至处理器上利用无线收发设备将其发送到数据库作存储。当管理人员需要查看物品在室外位置时，只需查看数据库中数据即可。本系统采用的定位模块是中科微电子的产品ATGM336H，该模块具有定位精度高，体积小，功耗低，稳定性高等特点，适用于室外恶劣环境下高精度定位。

图3 GPS/北斗定位追踪基本功能框图

1.3 蓝牙标签设计

在室内定位中，蓝牙标签被用来当作定位节点，根据实际情况布置在室内，其原理框图见图4，由电源模块，数据处理模块和天线及天线匹配模块组成。蓝牙标签工作在低功耗模式，有效距离为40 m，每秒发送5到10次蓝牙数据包，定位追踪器读取数据包信息，根据接收到的标签能量判断距离，实现室内定位。

图4 蓝牙标签原理框图

蓝牙数据包格式说明如图5所示，BLEID(16个字节)表示将所有的蓝牙标签与其他人的蓝牙标签设备区别开的ID；GroupID表示将同一个房间内蓝牙标签标识为一组，通过这种方式定位追踪器就知道物品在哪个房间；IndividualID表示房间内每个蓝牙标签的特定编号，这样定位追踪器就知道物品在房间的哪个位置；TX power表示距离标签1 m测得的值，追踪器接收到数据包后通过比较就能得到物品的位置信息。

图5 蓝牙标签数据包

1.4 定位追踪器设计

定位追踪器是本系统的核心，其原理框图如图6所示，主要由蓝牙模块、GPS/北斗模块、MCU、加速度传感器和GPRS模块组成[13]。在该追踪器中蓝牙模块用来实现室内定位，GPS/北斗模块用来实现室外定位，当物品从实验室内被拿到室外时由于蓝牙信号只覆盖了室内范围无法对室外进行定位，此时MCU控制器立马启动GPS/北斗模块实现准确及时的室外定位[14]。加速度传感器被用来检测物体的运动状态实现追踪器的低功耗，当物品处于静止状态时，加速度传感器未产生位移信号，表明定位追踪器在距离上一次发出位置信号之前，物品位置一直未发生改变，此时MCU发出关闭蓝牙定位模块、GPS/北斗模块和GPRS模块的命令，让追踪器处于最低功耗的休眠状态；当物品发生移动时，加速度传感器产生位移信号，MCU检测到该信号后，立马激活上次发出位置信号的模块(蓝牙或者GPS/北斗)，另一个定位模块则关闭，等待MCU接收到定位信息后再启动GPRS模块将该信息发送出去，这样定位追踪器就能最大限度的降低功耗。

图6 定位追踪器原理框图

此类电路硬件控制系统采用单片机控制及管理，各部功能电路可采用模块化电路实现，易于实现且方便快捷，控制各模块化电路工作的单片机应用软件流程图如图7所示。

图7 软件控制流程图

单片机部分子程序如下所示：

#include 〈stdint.h〉

#include 〈stdio.h〉

#include 〈string.h〉

#include "cpu.h"

#include "gpio_mment.h"

#include "GC65_iot.h"

#include "rtc.h"

#include "timer.h"

#include "Spi_Drv.h"

#include "Debug.h"

#include "gpio_mment.h"

#include "gps_module.h"

#include "com_command.h"

#include "cimcitech_frame.h"

#include "intelpower.h"

#include "User_App.h"

#include "History_Data.h"

#include "low_power.h"

#include "adxl345.h"

#include "Gsm_App.h"

#include "sht10.h"

#include "CIMC_iTECH.h"

int main(void)

{

IAP_SetVectorTable();

NVIC_Configuration();

SysTick_Init();

RTC_Configuration();

SPI_allPara_config();

Gpio_Mment_Init();

gps_server_Init();

Debug_Init();

User_App_Init();

GC65_moduleuart_Init();

BLU_module_Init();

History_Data_Init();

ADXL345_Init();

#ifdef ENABLE_SYS_IWDG

IWDG_Configuration();

#endif

while(1)

{

prco_comcmd_task();

ProcGpsModuleTask();

ProcBluModuleTask();

Proc_LowPower_Task();

proc_cimc_frame_task();

Proc_UserApp_Task();

Proc_GsmApp_Task();

#ifdef ENABLE_SYS_IWDG

IWDG_ReloadCounter();

#endif

}

}

2 系统定位算法

通过大量实验测试发现RSSI值并不稳定，这使系统利用测量到的RSSI来实现高精度室内定位变得更加困难。为了降低实时信号的随机波动性,利用加权滑动窗口对接收到的信号做平滑处理。但仍然无法消除因为室内环境的突然变化所导致的RSSI极端跳动，这种环境的变化主要是室内温度、人员的走动以及运行在相同频率的其他设备，这些都会使某些地方的接收信号随时间发生漂移。对于这种极端跳动采用了卡尔曼滤波算法进一步处理，在最后的定位阶段再采用K近邻算法[15]得到位置信息。

K-近邻算法的基本步骤如下:① 训练样本的产生。在样本空间内产生一定数目的合乎要求的训练样本。每一个训练样本对应一个已知的目标函数值。②k个近邻的选取。分别对每个预测样本选取其近邻,即选取相似度程度高的k个样本。k值的大小对预测结果也有着关键影响。③ 根据这k个近邻判断预测样本的值或分类。

3 系统测试结果

基于上述理论分析，首先搭建相应的系统硬件平台来进行实地的数据采集，建立离线阶段的定位数据库，然后对离线阶段采集到的定位信号进行滤波处理并进行定位。

选取某实验室作为实验场地，实验室长10 m，宽6 m，将4个蓝牙标签放置在室内的4个角落，如图8所示B1、B2、B3、B44个标签，放置高度为1.5 m，然后对室内不同位置的坐标点采样，如图中圆圈所示，其中每个坐标点的采样间隔为1 s，采样点数为500，对采样到的数据作平滑处理建立离线位置指纹数据库。

图8 蓝牙标签室内拓扑图

在系统测试过程中选取了一瓶易挥发性试剂作为追踪定位目标，在线实时采集其位置处的RSSI值，对数据进行卡尔曼滤波处理再采用3阶近邻法进行定位，得到测试结果如图9所示，60 s内对物品进行室内外各20次定位测量得到的结果是室内定位最大误差为1.3 m，室外定位最大误差为3.5 m，证明该系统满足对实验室物品进行室内外高精度定位，图10和图11分别为蓝牙标签实物模块和定位追踪器实物模块。

图9 系统定位误差

图10 蓝牙标签实物模块

4 结 语

本文设计了基于蓝牙与GPS/北斗室内外无缝定位追踪管理系统，该系统具有定位精度高，低功耗，高稳定性，低成本等优势，可应用于生物医学类实验室中易燃易爆试剂、有毒试剂、易挥发性试剂以及重大仪器设备的追踪和管理中，提高管理效率，保证生物医学类实验平台物品的安全和教学科研工作顺利进行。

图11 定位追踪器实物模块