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1、Big-bit半导体器件应用网 http:/ic.big- 采用的定位技术主要包括RFID、Bluetooth、WiFi、UWB、ZigBee、光学、超声波、红外线、地磁场等。采用单一定位技术的室内定位系统都存在一定的缺陷，如负担性强、扩展性和鲁棒性差、定位精度低、响应时间长等。因此，多种定位技术融合是 IPS 的一个发展方向。室内定位系统(Indoor Positioning System，IPS)是普适计算中的重要内容。随着智能终端的普及、移动互联网时代的来临，复杂室内环境下的定位与导航的需求日益增大，同时，IPS 在公共安全、移动电子商务等领域都有着广泛的应用。目前，IPS 采用的定位技
2、术主要包括 RFID、Bluetooth、WiFi、UWB、ZigBee、光学、超声波、红外线、地磁场等。采用单一定位技术的室内定位系统都存在一定的缺陷，如负担性强、扩展性和鲁棒性差、定位精度低、响应时间长等。因此，多种定位技术融合是 IPS的一个发展方向。压力传感触控技术(Force Based Touch Sereen Technology)zTouch 来自于美国 F-Origin公司。该技术的原理是在刚性面板的四周角落处设置多个压力传感器，通过传感器感知用户在面板上触摸或做手势产生的垂直于面板的压力，根据各点传感器受力不同进行定位。该技术具有环境鲁棒性好、持久性强、无负担性以及三维信息
3、感知、定位精度高等优点，应用于 IPS可弥补其他定位技术的不足。目前，国外有多家机构正在研究基于该技术的定位系统，如英国兰卡斯特大学的 Weight Lab、英国谢菲尔德哈勒姆大学和德国亚琛工业大学的 Smart Floor等。本文基于压力传感触控技术设计了一种智能地板，并采用该地板构建了一小型定位系统。系统采用 16个压力传感器和 4块地板构建定位平台，实现对平台上运动小车的定位和路径显示，并能通过 LabVIEW软件和 Android终端查看小车位置信息。1 定位原理压力传感触控定位技术的基本单元由 1块刚性面板和 4个压力传感器组成，压力传感器分布于刚性面板的四角处，形成一四支点结构。四
4、支点定位模型如图 1所示。Big-bit半导体器件应用网 No.2在图 1所示的模型中，Si(i=1，2，3，4)表示第 i个压力传感器。在 P平面的二维坐标系中，记 Si与 P平面的接触点(或接触面的中心点)的坐标为(xi，yi)，4 个接触点构成的矩形区域(虚线框内)称为定位区 D。在 D中任一点(x，y)处施加一垂直于 P平面的力 F，令 Fi表示 Si受到的 F的分压力，根据四支点平面物体重心位置计算公式，式(1)(3)成立。根据式(1)(3)，可计算出力 F的位置，从而实现定位。2 系统结构设计2.1 系统设计根据本研究的实验条件，构建了一个针对小车的定位演示系统。系统由定位平台、定
5、位对象(小车)、数据采集卡、PC 机、Android 监视终端组成。当定位对象在定位平台上静止或运动时，通过分析传感器的数据计算出其在物理空间中的绝对位置坐标(X，Y)，该位Big-bit半导体器件应用网 No.3置属性经过映射，反映在上位机位置管理服务器(LabVIEW 软件)的虚拟地图中。位置管理服务器可以构建虚拟场景，并可为移动终端提供位置查询和导航的服务。定位系统构成如图 2所示。本系统采用 USB-6259(BNC)采集定位平台传感器的数据。USB-6259(BNC)是美国 NI公司生产的一款高速、多功能 M系列的数据采集卡，提供有 16路模拟输入通道，其最高采样率为 1.25 Ms
6、/s，采样精度为 16位，满足系统要求。定位系统可分为 3个模块：定位显示模块。该模块实现在 PC机端的 LabVIEW平台下，实时显示小车在定位平台的绝对位置及运动路径。运动控制模块。该模块实现通过 LabVIEW程序控制小车的运动，通过蓝牙传送控制指令，达到非接触移动小车的目的，同时防止接触方式产生的侧向力对定位精度的影响。远程监视模块。该模块实现通过 Android手机远程监视小车的位置，PC 机通过互联网向远程终端广播小车的位置信息。2.2 定位平台的设置定位平台由 16个传感器和 4块玻璃板组成，总面积为 7070 cm2，分为 4个单元。传感器采用轮辐式压力传感器(型号为 BK-4
7、)。传感器自身集成有电桥，对外有 4条引线，分别为电源 Vbg、GND、信号+和信号-。由于传感器输出的信号微弱(VmV 级)，因此需要对信号进行放大。本系统采用的放大器为 AD623。为确保定位的准确，定位平台需要调平。当定位平台不平时，即当传感器高度不一致，在图 1所示的四支点定位模型中可能会有 1或 2个支点处于不受力的悬空状态，即“虚腿”现象。“虚腿”现象将改变四支点平台力的分布，从而不能应用四支点公式求重心位置。Big-bit半导体器件应用网 No.4周祖濂通过数学模型证明了在四支点结构中的四个支点能够同时受力，即“虚腿”现象可以通过调平来避免。四支点平台的简单调平通常采用向最高支撑
8、靠拢的方法，即通过垫片调节 4个支点中高度较低的 3个，使其与最高支点高度一致从而调平台面。本系统通过在传感器下垫纸片的方法调平定位平台。3 系统软件设计本系统上位机开发平台采用 NI公司推出的 LabVIEW 2013。设计的软件界面如图 3所示。3.1 定位显示模块定位显示模块的输入为 16个压力传感器的数据，经过滤波和计算，输出为定位平台上物体重心的位置。位置显示方式包括文本坐标和二维图片，路径显示方式为 XY图。定位显示流程如图 4所示。Big-bit半导体器件应用网 No.53.2 运动控制模块运动控制模块是通过在 PC机和小车间建立蓝牙通信实现的。不具备蓝牙功能的 PC机可通过蓝牙
9、适配器和 BlueSoleil软件实现蓝牙功能，小车端通过 UART接口连接一蓝牙透传模块，此时，PC 机端和小车端建立了虚拟串口连接，LabVIEW 端通过 VISA串口通信编程实现向小车发送运动指令。本模块可完成对小车的速度控制以及前进、后退、左转、右转、停止 5种运动状态控制。3.3 远程监视模块远程监视模块中，PC 机为位置管理服务器，Android 终端为客户机，网络架构采用分布式 Publisher-Subscriber模式，PC 机为所有注册的 Android终端提供位置查询服务。远程监视模块采用了跨平台网络通信插件 SCCT。SCCT(Smart Phone&Cross-Pla
10、t-form Communication Toolkit，智能手机跨平台通信包)是由 T4SM(Tools for Smart Minds SoftwareSolutions)公司研发的、支持多种平台和编程语言的开发包，用于多种平台与LabVIEW平台之间进行数据通信。SCCT 支持的操作系统包括Windows、Linux、iOS、Android、Phone7，支持的编程语言包括LabVIEW、Java、C、Object C、.NET 和 Javascript(HTML5)。本系统中，LabVIEW 端采用SCCTPublisher Library提供的 VI实现验证请求连接的订阅者身份、检查
11、连接状态、广播数据至所有活动状态的订阅者以及接收订阅者请求的功能，Android 端采用 SCCT Big-bit半导体器件应用网 No.6Subscriber Library提供的 API实现发送请求至发布者、接收数据并提交至界面进行显示等功能。LabVIEW端信息发布程序框图如图 5所示。Android 端的软件架构如图 6所示。4 系统测试与结果分析Android手机端远程监视界面如图 7所示。Big-bit半导体器件应用网 No.7经测试，本系统实现了对小车的定位显示、运动控制和远程监视的功能。在定位精度的测试中，在平台上画有位置参照网格，网格边长为 1 cm。在定位平台上随机选取 1
12、0个测试点，在每个点处施加压力，测量 6次，记录软件计算出的坐标，并与实际网格坐标进行比较。在数据分析过程中，定义以下概念：偏差 Xp、Yp。假设在物理平台上测试点的网格坐标取值范围为 Xa，b，Yc，d(a、b、c、d 为非负整数，b-a=d-c=1，单位为 cm)通过软件求得的坐标为(x，y)，定义偏差 Xp、Yp：式中，MAX()为最大值;Pi 为第 i个测试点的定位偏差(cm)。Big-bit半导体器件应用网 No.8经测试，P=0.6 cm，D=1.8 cm。因此，单块智能地板的定位绝对误差在 2 cm内。在智能地板特性不变的前提下，由多块智能地板拼成的更大面积定位空间的定位绝对误差也在2 cm内。结语本文设计了一种智能地板，并基于该地板构建了一个定位系统，实现了通过 PC机LabVIEW软件和 Android手机软件查看智能地板上物体位置和运动路径信息的功能。本定位系统最大定位绝对误差在 2 cm内，且具有环境鲁棒性好、无负担性等优点，与其他定位技术结合，可弥补现有室内定位系统的不足。此外，本智能地板还可用于重点区域安防、隐私保护下的监控等场合。
