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基于智能标签的重点人员监护系统设计

作　者: 田智嘉
导　师: 赵琳; 王伟
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制工程
关键词: 智能标签双频 LANDMARC 区域定位
分类号: TP391.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在当今日益凸显的社会问题中，老人院中大量需要看护的孤寡老人，医院产房内数目众多的新生儿，监狱内需要实时看管的罪犯，以上三种急需解决的问题可以归结为一种类型，即重点人员监护问题。传统意义上靠投入大量看护人员的方法，既耗费大量人力物力，又不能保证实时性及准确性，寻找一种新型的看护方式变得迫在眉睫。本文针对重点人员被监护问题，设计了一种利用双频RFID智能标签为工具，基于RSSI的LANDMARC定位算法及区域定位算法为核心，软硬件相结合的完整系统。本文开展了以下六个研究内容：双频智能标签设计，LANDMARC定位算法研究及改进，接收信号强度获取及改进，提出区域定位算法及其算法扩充理论，智能标签防碰撞设计及智能标签低功耗设计，上位机软件设计。通过构建基于双频智能标签的重点人员监护系统，实现对重点人员的定位、生命体征监测、实时管理及摔倒报警等功能。与传统的单频电子标签相比，双频智能标签具有温度检测和MEMS加速度计检测功能，佩戴在人员身上可以实现生命体征及运动状态监测，通过无线射频通信传输人员基本信息、标签编号、实时体征。更重要的是双频智能标签具有两个互不干扰的通信频段，可将两个独立频段和两种不同的定位算法相结合，实现人员分级定位，第一级定位采用位置估计的区域定位算法，定位过程中无需测距，只能估计待定位人员所在区域，缩小定位范围，为第二级定位打下基础；第二级定位采用基于RSSI的LANDMARC定位算法，该算法属于精确测距定位，直接在区域定位所得的结果区域中实现，可减少遍历扫描时间，提高定位效率。此外，采用频分多路法进行防碰撞设计，解决一个阅读器同时识别多个双频智能标签发生碰撞的问题；通过对标签控制芯片和射频芯片工作模式和工作过程的优化，实现了智能标签低功耗设计，并测试结果以验证。最后，针对系统性能和上位机终端功能进行测试分析。分析结果表明，本系统可容纳的标签数量在200个以上，在室内空旷环境下，本系统的定位精度可达到1米，如果室内环境复杂，障碍物较多，定位精度将下降，但仍可以保证在2米以内；测温精度可达到0.1摄氏度，加速度计测试结果明显；上位机软件各模块工作正常，实现人员管理和定位等功能。以上研究成果表明，本文所开展的基于智能标签的重点人员监护系统设计具有较高的理论指导作用和实际应用价值。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题背景及研究意义  11-12
  1.2 相关技术研究现状  12-15
    1.2.1 RFID 技术研究现状  12-13
    1.2.2 室内定位技术研究现状  13-14
    1.2.3 重点人员监护系统的研究现状  14-15
  1.3 研究内容及章节安排  15-17
    1.3.1 论文研究内容  15-16
    1.3.2 论文章节安排  16-17
第2章双频智能标签和系统总体设计方案  17-26
  2.1 RFID 系统构成及工作原理  17-18
    2.1.1 RFID 系统基本构成  17
    2.1.2 RFID 系统工作原理  17-18
  2.2 基于有源 RFID 技术的双频智能标签  18-20
    2.2.1 智能标签概述及分类  18-19
    2.2.2 有源 RFID 双频智能标签  19-20
  2.3 重点人员监护系统总体设计方案  20-25
    2.3.1 系统性能需求分析  20-21
    2.3.2 系统总体构成及设计方案  21-22
    2.3.3 有源和无源 RFID 系统选择  22-23
    2.3.4 系统工作频段选择  23-24
    2.3.5 系统关键技术研究  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第3章重点人员监护系统硬件电路设计  26-39
  3.1 控制及射频模块设计  26-31
    3.1.1 控制芯片选择  26-28
    3.1.2 控制模块设计  28-29
    3.1.3 射频芯片选择  29-30
    3.1.4 射频模块设计  30-31
  3.2 主要辅助模块设计  31-36
    3.2.1 电源模块设计  31-32
    3.2.2 显示和输入模块设计  32
    3.2.3 串口模块设计  32-33
    3.2.4 PCI 射频接口设计  33-34
    3.2.5 GPRS 模块设计  34-35
    3.2.6 温度模块设计  35
    3.2.7 其他模块设计  35-36
  3.3 PCB 设计及注意事项  36-38
    3.3.1 Altium Designer 软件介绍  36-37
    3.3.2 PCB 绘制注意事项  37-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章系统软件设计  39-60
  4.1 定位算法选取  39-41
  4.2 LANDMARC 定位算法  41-46
    4.2.1 LANDMARC 算法仿真模型建立  42-43
    4.2.2 影响 LANDMARC 算法性能的几个因素  43-44
    4.2.3 基于虚拟参考标签的 LANDMARC 算法改进  44-45
    4.2.4 定位误差结果分析  45-46
  4.3 接收信号强度（RSSI）获取  46-49
    4.3.1 读取状态寄存器  46-47
    4.3.2 读取附加的状态字节  47
    4.3.3 RSSI 计算的改进  47-48
    4.3.4 RSSI 灵敏度测试结果分析  48-49
  4.4 区域定位算法  49-51
    4.4.1 区域定位算法实现过程  49-50
    4.4.2 影响区域定位算法性能的几个因素  50
    4.4.3 基于区域定位算法的扩充理论  50-51
  4.5 智能标签的防碰撞设计  51-55
    4.5.1 防碰撞方法分类  51-53
    4.5.2 基于频分多路法的防碰撞设计  53-55
  4.6 智能标签的低功耗设计  55-58
    4.6.1 控制模块低功耗设计  55-56
    4.6.2 射频模块低功耗设计  56-57
    4.6.3 测试结果验证  57-58
  4.7 阅读器和标签程序设计  58-59
  4.8 本章小结  59-60
第5章系统测试与性能分析  60-68
  5.1 系统性能测试分析  60-65
    5.1.1 通信距离测试结果分析  60
    5.1.2 通信协议测试结果分析  60-61
    5.1.3 温度测试结果分析  61-63
    5.1.4 加速度计测试结果分析  63-65
  5.2 上位机终端功能测试  65-67
    5.2.1 管理人员登陆模块  65-66
    5.2.2 重点人员管理模块  66-67
    5.2.3 监控报警模块  67
  5.3 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-74
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  74-75
致谢  75

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