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RISC-V MCU＋基于CH32的LoRa+ibeacon的室内定位系统_mcu室内定位

作者：码创造者 | 2024-07-23 02:33:11

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mcu室内定位

第一部分设计概述

1. 设计目的

目前人们对室内定位的需求越来越多，比如在智能工厂中，员工管理、AGV（无人搬运车）的运行都需要室内定位技术；在养老院、医院，需要了解老人、病人、物料等在院里的位置；在大型商场、机场、高铁站和停车场等环境中，更需要室内定位，了解自己的位置，了解自己要找的商铺、候车室的位置。可以说，室内定位随着数字经济的发展，需求越来越旺盛。因此本项目设计一款基于蓝牙的室内定位系统，实现非可视内容的可视化，具有重要的实际意义。

1. 应用领域

本作品主要应用于需要对固定人员进行监管的场所，应用领域包含但不限于以下场所：

（1）养老院、监狱、医院病房

（2）厂房、机房、幼儿园、特殊学校

1. 主要技术特点

（1）采用蓝牙Beacon定位技术和Lora通信技术

（2）系统包括胸章、位标和网关三个部分。网关搭载了RT-Thread操作系统，能够多线程运行。

（3）在腾讯云上开发界面，可实时显示胸章位置信息，方便监管。

（4）该系统无需布线，施工及维护成本低。

1. 关键性能指标

整套系统实现人员位置信息的远程监控，云端数据存储功能以及定位的云端可视化功能。本作品可将室内人员的位置信息展现在地图上，地图的布局与真实场景相符，同时也会展示相应的数据信息，比如胸章的编号，位标的编号，每个位标采集到的胸章的距离，以及每个胸章被采集到的最短的三个位标距离。通过数据、图形相结合，可以精确观察到室内人员的位置信息。如下图所示：

图1页面显示

通过测试，系统最关键的指标即定位精确度较高，在大部分正常的时刻，精度可达到0.6米。

1. 主要创新点

（1）使用三点距离定位法来显示人员位置，由于定位法存在几种特殊情况，在对算法公式进行改进后，排除了这几种情况，提高了显示定位的准确度。

（2）发送位置信息的胸章十分小巧，便于佩戴，且添加了人员报警功能，可以更迅速的定位出现问题的人员区域。

（3）在位标处添加了火焰报警模块，在商城或工厂等处能够及时监测到火情能够及时监测到火情，发出警报，尽早采取消防措施，使得应用可以更加广泛。

第二部分系统组成及功能说明

1. 整体介绍

整个系统框架如下图：

图2 定位系统整体框图

整个系统工作流程为：当胸章进入位标系统的信号覆盖范围，位标系统能接收到胸章发送的广播信号RSSI值。位标系统中的MCU读取EFR32BG22蓝牙模块的RSSI值，处理后通过Lora发送至网关。网关接收数据，通过L610传输至腾讯云平台，云端通过定位算法计算出人员位置并在网页界面显示，如果收到的是报警信息，则弹窗提示。

1. 各模块介绍

（1） 胸章部分

胸章的硬件模块为EFR32BG22蓝牙模块。BG22系列芯片结合了同类最佳的超低发射和接收电流的高性能、低功耗M33内核（工作电流27 μA / MHz；休眠电流1.2 μA），提供行业领先的能效，可将纽扣电池的寿命延长至十年。

它作为一个独立的部分，无需硬件连接，只需上电后，设置好状态便可与位标系统通信，发送位置信息和报警信息。

胸章原理图及PCB如图所示：

图3 胸章电路

(A) (B) (C)

图4 胸章PCB (A) 布局布线 (B) 3D正面 (C)3D背面

（2）位标部分

位标系统的硬件模块包括三部分，EFR32BG22蓝牙模块、CH32V307主控芯片与ATK-Lora-V3.0无线模块。CH32V307是沁恒推出的通用单片机系列，可以连接外部的PHY芯片实现100Mbps、1000Mbps的数据传输，功能强大。ATK-Lora-V3.0无线模块具有通信距离远、低功耗、灵敏度高、抗干扰性强的优势。例如，Lora和RF4432PRO无线模块的功耗都是100mw，但是Lora模块的传输距离是5公里，而RF4432PRO模块的传输距离只有1.4公里两者之间的差距非常明显。

EFR32BG22蓝牙模块用于接收胸章数据，CH32V307提取胸章数据并分析处理，将处理结果通过Lora模块发送至网关，当位标附近检测到火情时，能及时发出报警信号，在云端进行显示。EFR32BG22蓝牙模块和Lora模块分别和CH32V307的USART2和USART3连接，分别如图3和图4所示。

图5 位标系统中的Bg22与CH32V307模块

图6 位标系统中的Lora与CH32V307模块

位标系统软件架构如图：

图7 位标系统架构

位标接收信号后，MCU通过串口读取到数据。数据包含两种信息，一个是胸章的编号，一个是胸章信号的强弱。由于信号强弱随距离变化而变化，因此它可以反映出距离的大小。为确保RSSI数据足够稳定，计算误差小，MCU收集满来自同一个胸章的20个RSSI值后，求其均值，根据以下公式计算出距离，公式中各个参数的含义如表所示。

D = 10absRSSI-A10×n （1）

表1 测距算法公式各符号含义

符号	说明
D	计算所得距离(单位:M)
RSSI	接收信号强度(单位:DB)
A	发射端和和接收端相隔1米时的信号强度
N	环境衰减因子

（3）网关部分

网关系统硬件模块包括三部分：Lora模块，CH32V307主控芯片和L610模组。CH32V307主控芯片通过Lora模块接收位标系统发来的数据，通过串口传输至L610，并按照腾讯云平台的命令格式，通过L610传输至云平台。Lora模块和L610模块分别和CH32V307的USART2和USART3连接，分别如图5和图6所示。

图8 网关系统中的Lora与CH32V307模块

图9 L610模块与网关系统中的CH32V307模块网关软件系统架构如图：

图10 网关系统架构

RT-Thread 操作系统的邮箱用于线程通信，特点是开销比较低，效率较高。邮箱具备一定的存储功能，能够缓存一定数量的邮件数，在MCU根据冒泡法求取距离最小的前三个数据，在网关系统中执行L610的初始化，通过串口PD8控制L610发送 AT 命令连接腾讯云，将总数据与距离最小的前三个数据上传腾讯云平台，网页获取平台数据进行页面显示。

AT命令格式如下：

1.控制模块查询注册网络情况和获取 IP

发送指令：AT //检测模块

返回数据：OK

发送指令：AT+CGMR? //查询版本号

返回数据：16000.1022.00.05.02.05

发送指令：AT+MIPCALL?

+MIPCALL: 1,10.172.227.8 //必须等待 IP 返回再做下面操作

返回数据：OK

发送指令：AT+MIPCALL=1 //请求 IP，有 IP 的情况下不发

“AT+MIPCALL=1”

返回数据：OK

+MIPCALL: 10.196.34.216

发送指令：AT+MIPCALL?

返回数据：+MIPCALL: 1,10.196.34.216 //必须等待 IP 返回再做下面操作

2.控制模块发送 AT 命令连接腾讯云

发送指令：AT+TCDEVINFOSET=1,"SAQ6EN34JF","weilaiRoad_Lamp001","ygQHa0DR8qShQQ5kPnqRU w==" //设置平台设备信息

返回数据：OK

+TCDEVINFOSET: OK

发送指令：AT+TCMQTTCONN=1,20000,240,1,1 //设置连接参数并连接

返回数据：OK

+TCMQTTCONN: OK

3.云端信息交互

发送指令：AT+TCMQTTSUB="$thing/down/property/SAQ6EN34JF/weilaiRoad_Lamp001",1

返回数据：OK

+TCMQTTSUB: OK

4.设备上传信息到云端

发送指令：AT+TCMQTTPUB="$thing/up/property/SAQ6EN34JF/weilaiRoad_Lamp001",1,"{\"method\":\ "report\",\"clientToken\":\"123\",\"params\":{\"power_switch\":0}}"

//上报数据

返回数据：

（4）网页部分

网页从腾讯云读取数据后，项目组通过进行距离与经纬度的换算，利用五个位标采集到的最近的三个距离来进行计算，从而显示人员定位。

以下即为确定人员位置的基本数学原理：

首先根据五个位标采集到的胸章的距离，确定出距离最小的三个值以及对应位标的编号与坐标。设为C1，C2和C3，如图所示。分别以位标1的位置C1及位标2的位置C2为圆心，以两个位标各自采集到的胸章距离为半径画做圆，两个圆交叉与A点和B点。分别计算位标3的位置C3和A点，B点之间的距离，距离小的点则为胸章的位置。

图11 三点定位算法示意

考虑胸章所采集到的胸章距离信息和实际会有所偏差，需要对公式进行校正。具体的偏差情况大致有如下四种：

(A) (B)

图12 四种误差情形

误差情形一，位标采集到的三个距离不存在相交的情况，此情况出现的可能性很小，除非三个位标所采集的距离都存在较大偏差，否则难以发生此种情况。误差情形二，三个位标采集到的距离稍有偏差，导致人员位置不好确定，只能确定出其大致范围，这种误差情况是最为常见的。误差情况三是以三个位标采集的距离分别绘制圆，三个圆恰好相切，这也是一种特殊情形，出现概率较低；误差情况四是两个位标采集的距离符合要求，而另外一个位标采集的距离小于正常的距离。

基于上述所列举的误差情况，对于算法公式进行改进，计算人员坐标的具体公式如下：

x = r12-r22-x12-y12+x22+y2²2*(y2-y1)x2-x1y2-y1-x3-x1y3-y1 - r12-r32-x12-y12+x32+y3²2*(y3-y1)x2-x1y2-y1-x3-x1y3-y1

y = r12-r22-x12-y12+x22+y2²2*(x2-x1)y2-y1x2-x1-y3-y1x3-x1 - r12-r32-x12-y12+x32+y3²2*(x3-x1)y2-y1x2-x1-y3-y1x3-x1

其中x、y即为人员的具体坐标值，r1、r2、r3分别为三个测量距离，x1和y1、x2和y2、x3和y3分别为相应测距位标的坐标。

第三部分完成情况及性能参数

定位显示页面由三部分组成。第一部分为totaldata和minidata显示，即所有位标接收到的总数据与距离徽章最近的三个位标的距离显示；第二部分为人员位置信息显示，在创新实验室定位图示进行显示；第三部分为报警信息显示，当有火警或人员报警时，会在网页上方进行弹窗显示。

(A)

(B)

图13 界面显示效果 (A)多个胸章的情形 (B)一个胸章的情形

上图A显示的是五个位标检测到三个胸章的情形，图B显示的是检测到一个胸章的情形，图C和图D为人员和火焰报警显示。每个位标检测到胸章到它们的距离大小，并且提取出最短的三个距离，然后将人员的位置显示在定位图示部分。

下图为产品测量误差：

表2 测量误差分析

	测量数据		实际测量数据		误差/m
数据类型	totaldata	minidata	totaldata	minidata	误差/m
第一次测量	[2,3,2, 2,2,2, 3,3,2, 2,2,2, 2,2,1, 2,2,2, 3,3,2, 2,2,2, 2,1,2, 2,2,2]	[1,1,2, 5,2,1, 1,3,2, 3,1,2, 3,2,2, 2,3,2, 5,1,2, 1,2,3, 3,3,2]	[2.4,2.8,2.5,2,2,2, 2.9,3,2.1, 2,2,2, 2.1,2.4,1.7, 2,2,2, 2.8.2.9.2.1,2,2,2, 2.1,0.9,1.8,2,2,2]	[1,1,2.4, 5,2,0.9, 1,3,2.5, 3,1,2.1, 3,2,2.4, 2,3,2.1, 5,1,2.1, 1,2,2.5, 3,3,1.7]	0.66
第二次测量	[2,3,2, 2,2,2, 3,3,2, 2,2,2, 2,2,2, 2,2,2, 3,3,2, 2,2,2, 2,1,2, 2,2,2]	[1,1,2, 5,2,1, 1,3,2, 3,1,2, 3,2,2, 2,3,2, 5,1,2, 1,2,3, 3,3,2]	[2.4,2.8,2.5,2,2,2, 2.9,3,2.1, 2,2,2, 2.1,2.4,1.7, 2,2,2, 2.8.2.9.2.1,2,2,2, 2.1,0.9,1.8,2,2,2]	[1,1,2.4, 5,2,0.9, 1,3,2.5, 3,1,2.1, 3,2,2.4, 2,3,2.1, 5,1,2.1, 1,2,2.5, 3,3,1.7]	0.58
第三次测量	[3,3,2, 2,2,2, 3,3,2, 2,2,2, 2,2,1, 2,2,2, 3,3,2, 2,2,2, 2,1,2, 2,2,2]	[1,1,2, 5,2,1, 1,3,2, 3,1,2, 3,2,2, 2,3,2, 5,1,2, 1,2,3, 3,3,2]	[2.4,2.8,2.5,2,2,2, 2.9,3,2.1, 2,2,2, 2.1,2.4,1.7, 2,2,2, 2.8.2.9.2.1,2,2,2, 2.1,0.9,1.8,2,2,2]	[1,1,2.4, 5,2,0.9, 1,3,2.5, 3,1,2.1, 3,2,2.4, 2,3,2.1, 5,1,2.1, 1,2,2.5, 3,3,1.7]	0.7
第四次测量	[2,3,2, 2,2,2, 3,3,2, 2,2,2, 2,3,2, 2,2,2, 3,3,2, 2,2,2, 2,1,2, 2,2,2]	[1,1,2, 5,2,1, 1,3,2, 3,1,2, 2,2,3, 2,3,2, 5,1,2, 3,2,3, 3,3,2]	[2.4,2.8,2.5,2,2,2, 2.9,3,2.1, 2,2,2, 2.1,2.4,1.7, 2,2,2, 2.8.2.9.2.1,2,2,2, 2.1,0.9,1.8,2,2,2]	[1,1,2.4, 5,2,0.9, 1,3,2.5, 3,1,2.1, 3,2,2.4, 2,3,2.1, 5,1,2.1, 1,2,2.5, 3,3,1.7]	0.64
第五次测量	[2,3,3, 2,2,2, 3,3,2, 2,2,2, 2,3,2, 2,2,2, 3,3,2, 2,2,2, 2,1,2, 2,2,2]	[1,1,2, 5,2,1, 2,3,2, 3,1,2, 2,2,3, 3,3,2, 5,1,2, 3,2,3, 4,3,2]	[2.4,2.8,2.5,2,2,2, 2.9,3,2.1, 2,2,2, 2.1,2.4,1.7, 2,2,2, 2.8.2.9.2.1,2,2,2, 2.1,0.9,1.8,2,2,2]	[1,1,2.4, 5,2,0.9, 1,3,2.5, 3,1,2.1, 3,2,2.4, 2,3,2.1, 5,1,2.1, 1,2,2.5, 3,3,1.7]	0.64

其中totaldata的前六个数据分别为位标1到徽章1、2、3的距离，位标1和徽章1、2、3的报警信息，2代表安全状态，3表示报警。minidata的前九个数据为最近的三个位标距徽章1的距离，以此类推。根据多次测量计算可得，本产品的定位误差范围在0.6米左右。

第四部分总结

4.1可扩展之处

（1）位标所采集的人员距离信息存在些许误差，最终导致界面人员的显示位置出现偏差，还需算法上的优化。

（2）网页界面还比较粗糙，项目组将向专业网页美工人员虚心请教，进一步完善作品。

（3）胸章及位标系统的硬件部分还需进一步优化，如为胸章部分的电路封装上3D外壳后，EFR32BG22模块发送信号的强度也会受到干扰，需要减轻3D外壳对内部电路的静电屏蔽现象等问题。

4.2未来展望

本产品在未来将推出语音交互模块，在发生灾害时，位标系统无需布线、电池供电的特性能有效降低灾害对系统正常运行架构所带来的损害。即使所处环境发生变化，语音交互模块也能使人员通信保持正常，提高救援效率。项目组还将优化火焰报警模块，可以精确检测出火势距离、方向及大小，根据这些信息采取合适的灭火方案，同时，灭火后可根据距离、方向信息排查起火原因，排除安全隐患。

4.3心得体会

本作品基于将非可视内容可视化的创意，将室内人员的位置信息显示在客户端网页界面上。项目组充分发挥电子专业长处，采用软硬件结合的方式，通过绘制电路原理图、PCB制板、利用MCU主控编写程序处理外接设备的数据、利用无线传输模块传输数据并制作客户端界面等步骤，设计出室内人员定位系统。从工作量来看，包含胸章制作、位标系统搭建、网关系统搭建、云端与上位机设计四个部分，项目组人员在近几个月内全情投入，经常在实验室尽心测试调试，工作量非常饱满，最终完成了整个系统的搭建，实现了课题的所有内容，作品的完成度较好。在项目实施过程中，项目组成员掌握各个硬件模块和RT-Thread操作系统的使用方法，提升了嵌入式系统的设计能力，丰富了项目经验，对于成员未来的发展非常有利。在调试系统的过程中也培养了团队成员发现问题、分析问题和解决问题的能力，锻炼了团队成员之间相互协作的能力。

第五部分参考文献

刘丽.高校图书馆iBeacon定位技术的系统构建研究[J].辽宁工业大学学报(自然科学版),2018,38(02):103-106.
BG22Ax 用户手册
CH32V20x_30x 数据手册
成举炳.基于IBeacon的选煤厂人员定位系统的设计[J].煤炭加工与综合利用,2019(05):64-66+69.
上海赛睿德电子科技有限公司，RT-Thread文档中心[OL]，https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/README
L610操作手册
腾讯云物联网开发平台文档中心https://cloud.tencent.com/document/product/1081/44921

第六部分附录

本项目对胸章、位标、界面进行了一定设计。使用了3D打印技术，制作出了胸章外观和位标外观，并在外观上附上了本队logo。如下图：

胸章的实物图如下：

(A) (B) (C)

图14 胸章3D及实物图 (A)胸章外观 (B)胸章内部电路 (C)3D

位标系统:

(A) (B)

图15 位标实物图及3D （A）位标内部结构（B）位标外观 (C)3D

图13 徽章与位标实物图

网关系统:

图16 网关与L610连接图

界面显示:

项目组将数据信息通过L610上传到腾讯云平台，主要使用了腾讯云控制台在线调试设备、采集设备上报数据、通信日志、事件等信息的功能，即采集来自于通信模组的数据。通过消息推送窗口，实时捕获项目上下行所有节点的数据包，通过命令对节点进行操作，从而获取节点实时信息、控制节点状态等。具体的数据推送与接收如下图所示：