學(xué)士學(xué)位論文：室內(nèi)定位與識(shí)別的研究與設(shè)計(jì)

學(xué)士學(xué)位論文：室內(nèi)定位與識(shí)別的研究與設(shè)計(jì)

摘 要
在無(wú)線定位領(lǐng)域，全球定位系統(tǒng)(GPS)是最成功，也最出名的無(wú)線定位系統(tǒng)。但GPS信號(hào)在室內(nèi)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(nèi)無(wú)線環(huán)境的定位系統(tǒng)有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。為了提高室內(nèi)定位精度，人們提出了多種適用于室內(nèi)環(huán)境的定位技術(shù)，主要研究方向有蜂窩無(wú)線定位、無(wú)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(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)的室內(nèi)定位系統(tǒng)有GSM、CDMA、Active Badge、RADAR以及Active Bat等。而射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)的非視距識(shí)別、標(biāo)簽低成本和較快的工作速度等優(yōu)點(diǎn)使其成為高精度，低成本，大規(guī)模目標(biāo)室內(nèi)定位的首選技術(shù)。本文主要論述基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)其應(yīng)用和發(fā)展作一些普及。


關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)； 室內(nèi)定位系統(tǒng)； 射頻識(shí)別（RFID）； 原理； 應(yīng)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(jìn)展 1
1.3 本論文的主要內(nèi)容 3
1.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排 3
第2章 硬件各元器件介紹及其使用 3
2.1 單片機(jī)概述 3
2.2 AT89C51 3
2.3 單片機(jī)功能特性概述 4
2.4 RFID介紹 7
第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10
3.1 電路工作原理： 10
3.2 軟件設(shè)計(jì) 14

……（新文秘網(wǎng)http://jey722.cn省略3039字，正式會(huì)員可完整閱讀）……　
存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。
P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)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(jì)時(shí)器0外部輸入）
P3.5 T1（計(jì)時(shí)器1外部輸入）
P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）
P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）
P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。
RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。
ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， 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(wú)效。
/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。
/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。
*TAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。













單片機(jī)
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(shí)別系統(tǒng), 其能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)交換是應(yīng)用無(wú)線電和雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)一般是由兩部份組成—閱讀器、應(yīng)答器。
1、應(yīng)答器放在需要識(shí)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(yīng)答器信息并對(duì)應(yīng)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(tái)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(yīng)答器連接的禍合元件。此外, 閱讀器還應(yīng)該有附加接口, 以便將獲得數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳給另外的系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)、機(jī)器人控制裝置等）。
應(yīng)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(wú)源的, 即內(nèi)部不含電源, 工作時(shí), 接收閱讀器發(fā)出的射頻電磁波, 經(jīng)內(nèi)部整流、電容穩(wěn)壓后作為電源。此外還有有源應(yīng)答器, 一般是由電池供電, 可以在較高頻段工作, 識(shí)別距離較長(zhǎng),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(hào), 當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)人發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流, 應(yīng)答器獲得能量被激活應(yīng)答器將自身編碼等信息通過其內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去系統(tǒng)接收天線接收到從應(yīng)答器發(fā)送來(lái)的載波信號(hào), 經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器, 閱讀器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該應(yīng)答器的合法性, 針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制,發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作[1]。
2.4.2 RFID的特點(diǎn)
射頻識(shí)別系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是非接觸識(shí)別，它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無(wú)法使用的惡劣環(huán)境來(lái)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)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(shí)別系統(tǒng)的速寫能力也是重要的優(yōu)點(diǎn)，可用于流程跟蹤和維修跟蹤等交互式業(yè)務(wù)。
2.4.3 nRF24L01
RFID射頻模塊部件多種多樣，基于性價(jià)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(wú)線收發(fā)器芯片無(wú)線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器增強(qiáng)型SchockBurstTM 模式控制器功率放大器晶體振蕩器調(diào)制器解調(diào)器輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。
極低的電流消耗當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm 時(shí)電流消耗為9.0mA， 接收模式時(shí)為12.3mA，掉電模式和待機(jī)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(shè)計(jì)，接收時(shí)工作電流12.3mA，0dBm功率發(fā)射時(shí)11.3mA，掉電模式時(shí)僅為900nA　
◆ 126個(gè)通訊通道，6個(gè)數(shù)據(jù)通道，滿足多點(diǎn)通訊和調(diào)頻需要　
◆ 增強(qiáng)型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校驗(yàn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(dá)8Mbps，適合與各種MCU連接，編程簡(jiǎn)單　
◆ 可通過軟件設(shè)置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)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(shè)計(jì)
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(hào)，接收端能準(zhǔn)確接收并顯示相應(yīng)發(fā)送信息。


對(duì)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(jī)P1口輸出高電平，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，相應(yīng)的IO口會(huì)被拉成低電平，與此同時(shí)，對(duì)應(yīng)相連的LED由VCC通過限流電阻到地導(dǎo)通發(fā)亮，限流電阻采用470歐姆。
單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖如下，采用上電復(fù)位的方法實(shí)現(xiàn)復(fù)位：

單片機(jī)電路圖

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

nRF24L01版圖

引腳對(duì)應(yīng)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(shí)鐘 MISO：SPI輸出
MOSI：SPI輸入 IRQ：中斷響應(yīng)


對(duì)于接收端，數(shù)碼管顯示和蜂鳴器與單片機(jī)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(dāng)單片機(jī)引腳輸出高電平的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的段亮起，為增強(qiáng)亮度，在單片機(jī)的IO口接一個(gè)上拉的排阻，大小470歐姆。蜂鳴器需要一個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)，采用的是S9013晶體管，當(dāng)P3.7輸出高電平時(shí)，晶體管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴響，蜂鳴器采用有源蜂鳴器，上電長(zhǎng)響。
除此之外，單片機(jī)的最小系統(tǒng)以及與nRF24L01的接口是和發(fā)送端一致的，復(fù)位電容10uF，復(fù)位電阻10k，晶振采用12MHz，補(bǔ)償電容30pF。
SPI的讀時(shí)序：

SPI寫時(shí)序：





nRF24L01的模式選擇：


nRF24L01的指令格式：

3.2 軟件設(shè)計(jì)
1、主要的軟件模塊：

主函數(shù)main.c：程序入口，系統(tǒng)運(yùn)行的主干；
nRF.c: 對(duì)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(duì)應(yīng)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(wù)程序流程圖：









3、測(cè)試結(jié)果：
測(cè)試儀器：
做好的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)；
測(cè)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(cè)試結(jié)果是否與預(yù)期的一致。
測(cè)試結(jié)果：

距離 0號(hào)鍵 1號(hào)鍵 2號(hào)鍵 3號(hào)鍵 4號(hào)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(shí)別：
經(jīng)過上述的設(shè)計(jì)與調(diào)試，系統(tǒng)的基本工作單元已基本完成，接下來(lái)的任務(wù)是行多個(gè)發(fā)射端對(duì)一個(gè)接收端的設(shè)計(jì)。
根據(jù)nRF24L01的參考數(shù)據(jù)可知，該射頻模塊可通過對(duì)發(fā)射端的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)改變其發(fā)射距離，只要距離足夠短，即可在一定范圍內(nèi)對(duì)多個(gè)發(fā)射端進(jìn)行識(shí)別接收而不被另外的發(fā)射端干擾，由此來(lái)進(jìn)行識(shí)別。






系統(tǒng)定位識(shí)別示意圖
如圖所示，當(dāng)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(hào)覆蓋范圍之中，即可只接收該發(fā)射端的信號(hào)從而進(jìn)行識(shí)別。但這種方式只能作簡(jiǎn)單的識(shí)別，若像示意圖那樣若干發(fā)射端信號(hào)覆蓋范圍有交集的話，接收端就不能確定接收的是哪一個(gè)信號(hào)導(dǎo)致定位識(shí)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(huì)造成一定范圍的信號(hào)真空區(qū)域，要想提高定位識(shí)別精度的話，就必須要進(jìn)行進(jìn)一步的定位算法研究。
就nRF24L01而言，在室外空曠場(chǎng)所，信號(hào)覆蓋能達(dá)到30米以上。而室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，各種阻擋的障礙物較多，調(diào)節(jié)發(fā)射功率之后覆蓋范圍應(yīng)該有5～15米，因此，該系統(tǒng)可以在一定精度誤差范圍內(nèi)滿足室內(nèi)定位與識(shí)別的要求。









總結(jié)
本文通過對(duì)室內(nèi)定位與識(shí)別系統(tǒng)的分析，選擇了基于單片機(jī)與射頻識(shí)別模塊制作的硬件系統(tǒng)，初步完成了系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，最終認(rèn)為具有非接觸、非視距的RFID技術(shù)是該領(lǐng)域的優(yōu)選方案。但室內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境以及各種干擾使得RFID技術(shù)的定位效果難以進(jìn)一步提高。如何降低誤差可從兩方面入手。一是改進(jìn)硬件系統(tǒng)，使其更適用與當(dāng)前環(huán)境，根據(jù)應(yīng)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(biāo)簽。二是研究定位算法，優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)，提高精度，排除各標(biāo)簽間的干擾將能提供更高的定位結(jié)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(shè)計(jì)更高性能的RFID閱讀器和電子標(biāo)簽。
2．研究定位算法，提高定位精度，并設(shè)計(jì)用戶界面友好的軟件。


參考文獻(xiàn)
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[4]《MSP 430單片機(jī)基礎(chǔ)與實(shí)踐》 [CD-ROM]，謝興紅, 林凡強(qiáng), 吳雄英編著，北京航空航天大學(xué)出版社，2008.1
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[8]《無(wú)線網(wǎng)絡(luò) [CD-ROM]：通訊協(xié)議、感測(cè)網(wǎng)絡(luò)、射頻技術(shù)與應(yīng)用服務(wù)》，曾煜棋[等]著，碁峰資訊股份有限公司，2011.8
[9]《射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)》，Klaus Finkenzeller著，陳大才譯，電子工業(yè)出版社，2001



附 錄
整機(jī)電路原理圖：

接收端整機(jī)電路原理圖
發(fā)送端整機(jī)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(lái)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(shí)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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