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基于GPS 与ZigBee 的综合定位系统

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基于 GPS 与 ZigBee 的综合定位系统#
黄耀谆，钱李，刘英豪，郝超，代莉莉，姜佩东，段峰**
5 （南开大学信息技术科学学院，天津 300071）摘要：老人与残疾人需要在室外活动，一旦出现意外，如果医护人员不能及时赶到，就可能错过最佳的抢救时间。本文提出了由室外 GPS 定位和室内 ZigBee 技术定位组成的综合定位系统，在室外室外使用 GPS 定位而在室内使用 ZigBee 技术定位，综合两种方法的优点，克服单一方法定位的弊病。对 GPS 模块定位精度和 ZigBee 模块定位准确率的验证性实验表明， GPS 的定位误差小于 5 米，ZigBee 模块的定位准确率在 99%以上，能够保证在突发意外情况时，准确定位病人位置。关键词：定位系统；GPS；ZigBee 中图分类号：TP393
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Integrated Positioning System based on GPS and ZigBee
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Huang Yaozhun, Qian Li, Liu Yinghao, Hao Chao, Dai Lili, Jiang Peidong, Duan Feng
(College of Information Technical Science, Nankai University, TianJin 300071) Abstract: The elderly and the disabled always require outdoor activities. In case the accidents occur, the medical staff need to know the position of patients quickly to rescue. In this paper, an integrated positioning system is proposed, which combines GPS and ZigBee location technologies. The system takes the advantages of two methods and overcomes the deficiencies of the single one. The experimental results show that the deviation of GPS is less than 5 [m] and the precision of ZigBee is more than 99%.Hence,the developed positioning system can meet the application reqiruements. Keywords: Positioning System; GPS; ZigBee
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0 引言
随着社会的飞速发展，人口老龄化已经成为我国在整个 21 世纪都必须面对的社会问题
[1]
。根据全国第六次人口普查公报显示，我国 60 岁及以上人口约为 1.78 亿人，占调查总人
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口的 13.26%，其中 65 岁及以上人口为 1.19 亿人，占 8.87%。同 2000 年第五次全国人口普查相比 60 岁及以上人口的比重上升 2.93 个百分点，65 岁及以上人口的比重上升 1.91 个百分点。另一方面，残疾人数量持续增加，据第二次全国残疾人抽样调查数据推算，我国各类残疾人总数达 8296 万人。残疾人作为社会的弱势群体也受到越来越多的关注。在这些人群在发生意外时需要得到及时的救助。高龄老年人往往患有多种慢性病，住院需要的时间长，
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子女不可能总是陪伴在老人身边[2]；而现有的医疗条件又无法为每个人提供随时陪同的医护人员。因此在病人发病时就需要有准确高效快速的方法能够确定病人的位置，才不会延误抢救的时机。现有的定位方法以单一方法定位为主。例如中国矿业大学针对矿井下人员定位的要求设计的矿井人员定位系统[3]，利用射频识别技术及计算机通信技术，在井上调度室设置中心控
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制计算机系统，进行非触及双向通信在矿井中对人员进行定位。但是矿井人员定位系统针只针对井下一种情况，且系统过于庞大，另外一旦出现系统自动断电就无法提供人员的实
基金项目：南开大学第十届百项工程基金（BX10-257）作者简介：黄耀谆，（1992-），女，本科生，机器人技术。通信联系人：段峰，（1979-），男，副教授，机器人技术，肌电假手，康复医疗机器人，机器人视觉，家庭服务机器人，人体技能分析。 E-mail: duanf@https://www.wendangku.net/doc/5f11322773.html,
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时数据。
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基于北斗卫星定位的伤员搜救与后送、远程医疗系统[4]，使用我国自主系统、高强度加密设计的北斗卫星定位系统。该系统在服务区域内为用户确定其所在的地理位置并提供双向 45 通信服务，旨在实现单兵作战能力的实时监控，单兵终端可以采集士兵的相关信息并根据需要将情况通过卫星传输给指挥调度中心。但是该系统仅能在利于卫星工作的空旷地带使用，而对于在室内活动的人员不能准确定位其在室内的位置。而美国在定位方面则主要使用 GPS。GPS 是美军须臾不可离开的保障系统，借助 GPS 能够实现给养运输车能在沙漠中发现作战人员并为其提供补给[5] 等工作。 50 由北京邮电大学设计的、基于超声波技术并结合多步长搜索定位技术的的超声波测距定位系统[6]是能够对人员进行定位和身份识别的人员无线定位系统。但是这种方法需要在人员活动的场所布置网络基站，不适用于一般无固定活动范围、无方向的普通人员定位。鉴于病人活动环境的多样性和医疗系统对即时性和准确性的要求。本文提出了适合移动监护设备使用的室外以 OEM 板与蘑菇头为核心的 GPS 模块与室内无线传感网络模块结合的 55 定位系统。本设计旨在意外情况发生时能够准确快速定位病患位置，让医护人员能够及时提供医疗服务。
1 基于 GPS 与 ZigBee 的综合定位系统
老年人和残疾人的自理能力有限，外出活动存在潜在的危险。由于没有足够的医护人员陪同监护、医疗设备又难以随身携带，如何在意外发生时及时提供医疗救助成为了亟待解决 60 的问题。准确定位病人的位置是挽救病人生命的前提，因此一个快速精确的定位系统在此过程中非常重要。基于 GPS 与 ZigBee 的综合定位系统能够实现对病人的准确定位。
1.1
系统结构
如图 1 为定位装置在一个实际监护设备中的应用。系统根据定位原理、无线通信原理设
计，主要由两个子系统组成：室外位置的检测由 GPS 模块完成，GPS 模块以 OEM(Original 65 Equipment Manufacturer )板与蘑菇头为核心；室内位置由无线传感网络中的射频模块相互之间的通信确定。系统总体结构示意图如图 2 所示。系统采用集成芯片进行设计，装卸简单、易于操作，可进行模块化设计使用。
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图 1 定位系统在实际设备中的应用（左一是 GPS 模块的放大图，右一是 ZigBee 模块的放大图） Fig. 1 Positioning system in the actual device (left is amplified GPS, right is amplified ZigBee module)
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图 2 系统总体结构图 Fig. 2 Entire structure of the system
2 硬件结构设计
2.1
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GPS 模块
全球定位系统(Global Positioning System)是以卫星为基础的无线电导航系统，其定位的
基本原理是根据告诉运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待定测点的位置[7]。具有全能性，全球性，全天候，连续性，实时性的导航，定位和授时等多种功能[8]。GPS 模块包括蘑菇头天线，OEM 板，软件终端三个主要部分组成。蘑菇头天线用于将卫星发来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用 85 的电流； OEM 板将 GPS 接收机的主要部件做成大规模集成电路片，并集成在一块电路板上。 OEM 板具有接收 GPS 信号，处理信号，输出观测信号和定位结果等功能[9]。软件终端用于对 OEM 板发来的信号进行进一步汇总和处理。 2.1.1 90 OEM 板 GPS 的 OEM 板是 GPS 设备中的核心芯片，本设计 GPS 模块的 OEM 板采用 GARMIN 公司的 GPS15xL 模块。该模块结构小巧，结构紧凑，性能稳定，全屏蔽封装具备优秀抗电磁干扰能力。重捕获时间小于 2s，定位精度小于 10m，查分精度小于 5m，在对病人的定位中使用足够精确。另外该模块已将 RS232 串口封装完成，可直接与主机的 RS232 串口相连使用，不需要额外的电平转换电路，使得设计时进行二次封装简单可行。GPS 接收板的串口通信协议为：串口的传输率可调．缺省值为 4800bps，无奇偶校验，8 个数据位，1 个起 95 始位， 1 个停止位。输出数据时以美国国家海洋电子协会 (National Marine Electronics Association)的 NMEA-0183 ASCII 码接口协议为基础的。输出的多条语句包括精度，纬度，速度，方位角等信息，并且具有标准的输出格式，为软件对数据进行处理提供了便利。如图 3 为 GPS 模块 OEM 板外接电路图
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图3 GPS 模块 OEM 板外接电路图 Fig. 3 External circuit diagram of OEM plate
OEM 板一端与 GPS 蘑菇头天线相连，另一端通过 RS232 串行通信接口与主机进行通讯，将天线接收到的原始经纬度信息进行初步处理后传递到主机平台上的软件上。软件终端进一 105 步处理收到的信息，简洁地显示在软件界面上，使得使用软件监护病人的医护工作者能够确定病人的位置，同时还可利用软件终端的硬件平台的 USB 并行接口向 GPS 设备进行供电。在室外较为空旷的地带 GPS 设备都可以提供准确的位置信息，便于监测人员对目标进行定位。 2.1.2 110 GPS 使用方法
将 USB 接口插到开启的电脑（或其他可供电的插头上）上进行供电。将蘑菇头放置于开阔空旷的位置。蘑菇头需要竖直放置。使用的串口波特率设置为 4800bps。供电后等待 4-5 分钟，GPS 即可进行正常的定位工作，每隔一定的时间就返回数据。
2.2
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ZigBee 模块——CC2430
ZigBee 技术是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网
络技术，它基于 IEEE802.15.4 标准，工作频率为 868MHz， 915MHz 或 2.4GHz，其中 2.4GHz 是一个开放的频率[10]。本设计中的 ZigBee 模块由接收模块和发送模块组成。发送模块发送相应的房间编码，接收模块放置在移动设备上，移动设备进入相应的房间接收模块就会接收到相应的房间号码。
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2.2.1
射频收发芯片 CC2430 是成都无线龙通讯科技公司推出的符合 IEEE802.15.4 标准的射频收发芯片。
CC2430 是一个真正的片上系统解决方案，它包括一个高性能的 2.4GHzDSSS 射频收发器核心和一颗工业级增强型 8051 微控制器[11]。专门针对 IEEE802.15.4 和 ZigBee 应用，可以用很低的费用构成 ZigBee 节点。CC2430 的内部电路图可以大概分为 CPU 相关模块，无线电 125 相关模块和电源相关模块。本设计中的由 CC2430 组成的室内定位系统，采用的结构以与主机相连的模块为中心，发送模块与中心模块单线相连并且多个发送模块不同时与中心模块建立连接。ZigBee 模块收发模式结构图如图 4。中心模块作为接受模块能够接收到其他发送模块发来的信息，与中
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心模块距离近的发送模块发出的信号具有较高的优先级，能够与中心模块建立连接。中心模块通过 RS232 串行通信接口将信息传送回主机，由主机上的软件终端将位置信息显示在软件界面上。该方法适用于室内定位距离较近，环境干扰不大的情况下进行定位。本设计中的 CC2430 发送模块电路图如图 5 所示，接收部分电路图如图 6 所示。
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图 4 Zigbee 模块收发模式结构图 Fig. 4 Structure diagram of transceiver mode based on ZigBee
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图 5 CC2430 发送模块示意图 Fig. 5 Schematic diagram of CC2430 transmitter module
图 6 CC2430 接收模块示意图 Fig. 6 Schematic diagram of CC2430 receiver module
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145 2.2.2 室内定位的使用
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将相应的模块安装到对应的房间，打开电源即可。当接收模块接收到数据，就会将数据通过 RS232 串口发回到主机进行处理。发送模块默认发送数据为 503 和 504。如果需要修改发送的数据，则需要相应的修改软件帮助。 2.2.3 150 对发送数据的修改安装 IAR 集成开发环境。该环境是无线传感网络模块执行的程序的编写平台，默认使用 IAR7.30B 版本，只能在 windowsXP 操作平台上使用。打开相应的工程文件，在 rf_test.c 文件中可以修改发送的数据。
3 软件的设计
无论是 GPS 模块还是 ZigBee 模块接收的数据都可以由普通的串口数据收发软件接收。 155 串行口是计算机的一种标准接口，串行通信是数据逐位顺序传送,从单纯传送数据的角度来说只需 2-3 根线，因而可以大大节省传输线[12]。串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有多种，但都是在 RS-232 标准的基础上经过改进而形成的。 RS-232C 标准是美国 EIA(电子工业联合会)与 BELL 等公司一起开发并与 1969 年公布的通信协议，适用于数据传输速率在 0-20000bit/s 范围内的通信[13]。 160 该定位系统包含自主开发的数据接收软件，如图 7 为程序流程图。软件由 C++语言编写，串口数据接收部分借助多线程串口编程工具 CSerialPort 类。CSerialPort 类是基于多线程的，支持线连接的串口编程操作，其工作流程如下：首先设置好串口参数，再开启串口监测工作线程，串口监测工作线程监测到串口接收到的数据，流控制事件或其他串口事件后，就以消息方式通知主程序，激发消息处理函数来进行数据处理[14]。 165 GPS 模块接收到的数据符合国际通用的 NMEA-0183 协议，接收到的数据经过自主开发的软件的处理提取出其中的经纬度信息并显示在软件界面上如图 8 所示。ZigBee 模块接收到的数据则可以显示在软件的相应的数据框内，如图 9。软件始终处于工作状态，可以随时对病人的位置进行定位。
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图 7 程序流程图 Fig . 7 Flow chart of the entire positioning system
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图 8 GPS 数据显示显示软件界面 Fig. 8 Software interface of GPS
图 9 ZigBee 数据显示软件界面 Fig . 9 Software interface of Zigbee
4 系统测试及结果分析
系统设计安装完成后，对系统的功能进行测试。对室外定位功能的测试方法为：对某经纬度已知的定点作为原点，使用该系统测量该点的经纬度；每次分别向东南西北四个方向移 180 动系统，每隔 5 米记录一次数据，具体的测量点如图 10 所示，图上五个单位对应实际地面上 5 米；对每个点都进行多次测量取平均值的方法减小误差；将记录的数据进行整理，根据比例尺和方向判断数据的准确度。测量数据如表 1 所记录，其中测量结果为多次测量的平均值。测试结果及分析：经过测试，显示信息表示的位置与实际位置基本一致，检测到的数据 185 在 5 米左右的距离都能够出现较为明显的变化，在可视范围之内。由于病人的移动速度较慢，这样的精度能够满足实际要求。
图 10 实验测量点概略图 Fig. 10 Schematic diagram of experimental measurement points
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图上坐标 (0,0) (已知点) (5,0) (10,0) (-5,0) (-10,0) (0,5) (0,10) (0,-5) (0,-10) 表 1 GPS 实验数据 Tab 1 Experimental results of GPS 预期坐标测量结果 (实际坐标) 39.061646,N 39.061646,N 117.094964,E 117.094964,E 39.061646,N 39.061646,N 117.095009,E 117.094997,E 39.061646,N 39.061643,N 117.095054,E 117.095050,E 39.061646,N 39.061647,N 117.094919,E 117.094941,E 39.061646,N 39.061649,N 117.094874,E 117.094878,E 39.0616915,N 39.0616920,N 117.094964,E 117.094963,E 39.061737,N 39.061740,N 117.094964,E 117.094959,E 39.0616005,N 39.0616004,N 117.094964,E 117.094974,E 39.061555,N 39.061505,N 117.094964,E 117.094964,E
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误差 (单位:m) 0 1.3 0.45 2.4 0.47 0.05 0.55 1.09 0.55
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对室内定位功能的测试方法为：在两个房间内安装固定的 ZigBee 射频收发模块，在移动的 ZigBee 模块进入房间时记录收到的数据，一分钟记录一次有效数据（出现概率超过 50% 的数据）；如果收到的数据与实际的房间号码相符，则数据准确，如果收到的数据与实际房间号码不相符，则数据不准确；最后根据统计结果计算定位的准确率。实验数据如表 2 所示。测试结果及分析：根据对多次测试结果的计算和分析，系统 ZigBee 模块的准确率能够
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达到 99%以上。
表 2 ZigBee 定位精度实验结果 Tab 2 Experimental results of ZigBee positioning system 实验描述（实验地点在 503,504 房间）显示 503 显示 504 错误的准确率实验编号的次数的次数次数实验一 52 48 1 99.00% 实验二 37 55 0 100.00% 实验三 65 23 1 98.90% 实验四 54 57 2 98.20% 平均 99.025%
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5 结论
目前对于活动的病人位置的确定是医疗过程中急需解决的问题。本文提出的综合定位方法采用了 GPS 定位和无线数据传输等先进技术，基于模块化的思想进行整体构建，能够实现定位功能，为辅助老年人和残疾人活动提供安全保障。验证性实验表明，GPS 的定位误差小于 5 米，zigbee 模块的定位准确率在 99%以上。精度符合实际应用的需求，如果遇到了
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突发的意外情况，能够及时准确获取病人的位置，使病人得到及时的救助，不会错过最佳的抢救时机。该设计性能高，封装好，使用简便的特点，符合老年人和残疾人的使用需求，具有一定的前景和市场价值。
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[参考文献] (References) 225
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