學士學位論文：室內定位與識別的研究與設計

學士學位論文：室內定位與識別的研究與設計

摘 要
在無線定位領域，全球定位系統(tǒng)(GPS)是最成功，也最出名的無線定位系統(tǒng)。但GPS信號在室內環(huán)境中非常微弱，基本上不能成功定位。因此，研究一種適合于室內無線環(huán)境的定位系統(tǒng)有重要的理論和現(xiàn)實意義。為了提高室內定位精度，人們提出了多種適用于室內環(huán)境的定位技術，主要研究方向有蜂窩無線定位、無線局域網(wǎng)定位、紅外線定位、超聲波定位以及RFID定位等[1]。目前，國內外已出現(xiàn)的室內定位系統(tǒng)有GSM、CDMA、Active Badge、RADAR以及Active Bat等。而射頻識別技術(RFID)的非視距識別、標簽低成本和較快的工作速度等優(yōu)點使其成為高精度，低成本，大規(guī)模目標室內定位的首選技術。本文主要論述基于RFID的室內定位系統(tǒng)的工作原理，并對其應用和發(fā)展作一些普及。


關鍵詞：單片機； 室內定位系統(tǒng)； 射頻識別（RFID）； 原理； 應用；

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 錄
Abstract IV
目 錄 V
第1章 緒 論 1
1.1 本論文的背景和意義 1
1.2 本論文的主要方法和研究進展 1
1.3 本論文的主要內容 3
1.4 本論文的結構安排 3
第2章 硬件各元器件介紹及其使用 3
2.1 單片機概述 3
2.2 AT89C51 3
2.3 單片機功能特性概述 4
2.4 RFID介紹 7
第3章 系統(tǒng)設計 10
3.1 電路工作原理： 10
3.2 軟件設計 14

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存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。
P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。
P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管腳 備選功能
P3.0 R*D（串行輸入口）
P3.1 T*D（串行輸出口）
P3.2 /INT0（外部中斷0）
P3.3 /INT1（外部中斷1）
P3.4 T0（計時器0外部輸入）
P3.5 T1（計時器1外部輸入）
P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）
P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）
P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。
RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。
ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOV*，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。
/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。
/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。
*TAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。
*TAL2：來自反向振蕩器的輸出。













單片機
2.4 RFID介紹
2.4.1 系統(tǒng)工作原理
RFID（Radio Frequency of Identification）系統(tǒng)稱為射頻識別系統(tǒng), 其能量供應和數(shù)據(jù)交換是應用無線電和雷達技術實現(xiàn)的。系統(tǒng)一般是由兩部份組成—閱讀器、應答器。
1、應答器放在需要識別的物體上, 可以發(fā)送和接收信息, 可根據(jù)收到的操作命令作讀寫等處理。
2、閱讀器是采集應答器信息并對應答器發(fā)出操作命令的裝置,發(fā)出的命令包含選擇、讀寫、取消選擇命令等。
一臺典型的閱讀器包含有高頻模塊（發(fā)送單元和接收單元）、控制單元以及與應答器連接的禍合元件。此外, 閱讀器還應該有附加接口, 以便將獲得數(shù)據(jù)進一步傳給另外的系統(tǒng)（計算機、機器人控制裝置等）。
應答器是RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息載體, 由藕合元件以及微電子芯片組組成。它具有智能讀寫及加密通信的能力。一般是無源的, 即內部不含電源, 工作時, 接收閱讀器發(fā)出的射頻電磁波, 經內部整流、電容穩(wěn)壓后作為電源。此外還有有源應答器, 一般是由電池供電, 可以在較高頻段工作, 識別距離較長,和閱讀器之間的通信速率也較高。系統(tǒng)的基本工作流程是閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號, 當應答器進人發(fā)射天線工作區(qū)域時產生感應電流, 應答器獲得能量被激活應答器將自身編碼等信息通過其內置發(fā)送天線發(fā)送出去系統(tǒng)接收天線接收到從應答器發(fā)送來的載波信號, 經天線調節(jié)器傳送到閱讀器, 閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該應答器的合法性, 針對不同的設定做出相應的處理和控制,發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作[1]。
2.4.2 RFID的特點
射頻識別系統(tǒng)最大的優(yōu)點是非接觸識別，它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境來對標簽進行讀取，并且閱讀速度極快，大多數(shù)情況下不到100毫秒。有源式射頻識別系統(tǒng)的速寫能力也是重要的優(yōu)點，可用于流程跟蹤和維修跟蹤等交互式業(yè)務。
2.4.3 nRF24L01
RFID射頻模塊部件多種多樣，基于性價比的考慮我選擇了nRF24L01。
概述:
nRF24L01 是一款工作在2.4~2.5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器增強型SchockBurstTM 模式控制器功率放大器晶體振蕩器調制器解調器輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI 接口進行設置。
極低的電流消耗當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm 時電流消耗為9.0mA， 接收模式時為12.3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。
性能參數(shù)：
◆ 小體積，QFN20 4*4mm封裝　
◆ 寬電壓工作范圍，1.9V~3.6V，輸入引腳可承受5V電壓輸入　
◆ 工作溫度范圍，-40℃～+80℃　
◆ 工作頻率范圍，2.400GHz～2.525GHz　
◆ 發(fā)射功率可選擇為0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm
◆ 數(shù)據(jù)傳輸速率支持1Mbps、2Mbps
◆ 低功耗設計，接收時工作電流12.3mA，0dBm功率發(fā)射時11.3mA，掉電模式時僅為900nA　
◆ 126個通訊通道，6個數(shù)據(jù)通道，滿足多點通訊和調頻需要　
◆ 增強型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校驗和點對多點的地址控制
◆ 數(shù)據(jù)包每次可傳輸1～32Byte的數(shù)據(jù)
◆ 4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達8Mbps，適合與各種MCU連接，編程簡單　
◆ 可通過軟件設置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長度　
◆ MCU可通過IRQ引腳快判斷是否完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送


nRF24L01









第3章 系統(tǒng)設計
3.1 電路工作原理：
系統(tǒng)組成框圖：
這是以一發(fā)一收作為初步考慮的系統(tǒng)組成。發(fā)射端發(fā)射信號，接收端能準確接收并顯示相應發(fā)送信息。


對于發(fā)送端，按鍵和LED指示燈的接法如下圖所示：






發(fā)射端電路圖
單片機P1口輸出高電平，當有按鍵按下的時候，相應的IO口會被拉成低電平，與此同時，對應相連的LED由VCC通過限流電阻到地導通發(fā)亮，限流電阻采用470歐姆。
單片機的最小系統(tǒng)圖如下，采用上電復位的方法實現(xiàn)復位：

單片機電路圖

nRF24L01模塊是集成系統(tǒng)的，有8個引腳跟外界通信，引腳如下圖所示：

nRF24L01版圖

引腳對應如下圖所示：
GND：電源地 VCC：電源，3V左右
CE：模式選擇 CSN：SPI使能
SCK：SPI時鐘 MISO：SPI輸出
MOSI：SPI輸入 IRQ：中斷響應


對于接收端，數(shù)碼管顯示和蜂鳴器與單片機的接法如下圖所示：

接收端電路圖
如圖采用的是共陰數(shù)碼管，當單片機引腳輸出高電平的時候，對應的段亮起，為增強亮度，在單片機的IO口接一個上拉的排阻，大小470歐姆。蜂鳴器需要一個晶體管的驅動，采用的是S9013晶體管，當P3.7輸出高電平時，晶體管導通，蜂鳴器鳴響，蜂鳴器采用有源蜂鳴器，上電長響。
除此之外，單片機的最小系統(tǒng)以及與nRF24L01的接口是和發(fā)送端一致的，復位電容10uF，復位電阻10k，晶振采用12MHz，補償電容30pF。
SPI的讀時序：

SPI寫時序：





nRF24L01的模式選擇：


nRF24L01的指令格式：

3.2 軟件設計
1、主要的軟件模塊：

主函數(shù)main.c：程序入口，系統(tǒng)運行的主干；
nRF.c: 對nRF24L01的所有讀寫操作，配置nRF24L01；
SPI.c：SPI的底層通信協(xié)議。
nRF.h：nRF.c對應的頭文件，包含nRF24L01的指令和寄存器地址信息。





















2、流程圖：

發(fā)送端流程圖：









否



否 否





否




接收端流程圖：









接受中斷服務程序流程圖：









3、測試結果：
測試儀器：
做好的無線收發(fā)系統(tǒng)；
測試方法：
收發(fā)模塊上電，間隔不同的距離，按下發(fā)送端的不同按鈕，看收發(fā)端的測試結果是否與預期的一致。
測試結果：

距離 0號鍵 1號鍵 2號鍵 3號鍵 4號鍵
5m 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響
10m 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響
15m 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響
20m 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響 正常顯示鳴響
4、射頻模塊的識別：
經過上述的設計與調試，系統(tǒng)的基本工作單元已基本完成，接下來的任務是行多個發(fā)射端對一個接收端的設計。
根據(jù)nRF24L01的參考數(shù)據(jù)可知，該射頻模塊可通過對發(fā)射端的發(fā)射功率進行調節(jié)來改變其發(fā)射距離，只要距離足夠短，即可在一定范圍內對多個發(fā)射端進行識別接收而不被另外的發(fā)射端干擾，由此來進行識別。






系統(tǒng)定位識別示意圖
如圖所示，當發(fā)射端處于不同的位置，即圖中的基站，接收端作為終端只要處于發(fā)射端的信號覆蓋范圍之中，即可只接收該發(fā)射端的信號從而進行識別。但這種方式只能作簡單的識別，若像示意圖那樣若干發(fā)射端信號覆蓋范圍有交集的話，接收端就不能確定接收的是哪一個信號導致定位識別失敗。同樣的，若發(fā)射端的覆蓋范圍是沒有相交的圓形區(qū)域，那樣也會造成一定范圍的信號真空區(qū)域，要想提高定位識別精度的話，就必須要進行進一步的定位算法研究。
就nRF24L01而言，在室外空曠場所，信號覆蓋能達到30米以上。而室內環(huán)境復雜，各種阻擋的障礙物較多，調節(jié)發(fā)射功率之后覆蓋范圍應該有5～15米，因此，該系統(tǒng)可以在一定精度誤差范圍內滿足室內定位與識別的要求。









總結
本文通過對室內定位與識別系統(tǒng)的分析，選擇了基于單片機與射頻識別模塊制作的硬件系統(tǒng)，初步完成了系統(tǒng)的研究與設計，最終認為具有非接觸、非視距的RFID技術是該領域的優(yōu)選方案。但室內的復雜環(huán)境以及各種干擾使得RFID技術的定位效果難以進一步提高。如何降低誤差可從兩方面入手。一是改進硬件系統(tǒng)，使其更適用與當前環(huán)境，根據(jù)應用環(huán)境中不同的障礙物分布，優(yōu)化布置閱讀器和參考標簽。二是研究定位算法，優(yōu)化軟件結構，提高精度，排除各標簽間的干擾將能提供更高的定位結果。
本課題的一些工作還將繼續(xù)深入展開，主要有以下幾方面：
1．設計更高性能的RFID閱讀器和電子標簽。
2．研究定位算法，提高定位精度，并設計用戶界面友好的軟件。


參考文獻
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附 錄
整機電路原理圖：

接收端整機電路原理圖
發(fā)送端整機電路原理圖

PCB版圖：







發(fā)送端PCB 接收端PCB


程序源代碼：
發(fā)送端程序：
Main.c:
#include
#include
#include "nRF.h"

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

/***********函數(shù)和全局變量聲明：來自源文件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) //按鍵消抖延時程序
{
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 //有按鍵按下
{
Delay5ms();
if(P1==0*ff)
{
flag=0;
return;
}
else if(flag==0) //確定是按鍵穩(wěn)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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