鄭逸生，孫道宗，姚耀華，黃孝遠

（華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣東 廣州 510642）

基于nanoPAN5375的地下停車場語音導航系統(tǒng)

鄭逸生，孫道宗，姚耀華，黃孝遠

（華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣東 廣州 510642）

目前的GPS導航應用很成熟，精度也比較高，但在地下停車場等室內地方，GPS信號非常微弱，無法對車進行導航，同時當前的地下停車場沒有很好地智能化。為避免車主盲目尋找車位，方便車主在盡可能短的時間內尋找到車位，設計并制作基于nanoPAN5375的語音導航系統(tǒng)。系統(tǒng)由4個nanoPAN5375模塊、2個CC1101模塊、超聲波模塊與isd1700模塊構成。以STM32F103微控制器為核心芯片，使用nanoPAN5375模塊進行無線定位，CC1101模塊傳輸超聲波模塊采集到的車位信息，語音模塊isd1700進行語音導航，軟件采用三邊質心算法和卡爾曼濾波算法。實驗表明，在邊長為6米的等邊三角形內，x坐標的平均誤差為0.42米，y坐標的平均誤差為0.42米；系統(tǒng)在邊長為12米的等邊三角形內實現(xiàn)過較為精確的語音導航。

無線定位；nanoPAN5375模塊；三邊質心算法；語音導航

目前的GPS導航應用很成熟，精度也比較高，但在地下停車場等室內地方，GPS信號非常微弱，無法對車進行定位，從而實現(xiàn)導航功能，同時當前的地下停車場沒有很好地實現(xiàn)智能化，車主只能盲目地尋找車位。語音作為自然的人機接口，可以使車載導航系統(tǒng)實現(xiàn)更安全、更人性化的操作。當前的地下停車場導航系統(tǒng)大多是以LED屏導航，相比之下，語音導航的效率更高，可方便、及時、準確、主動地為車主提供語音信息，幫車主節(jié)省停車時間，因此，實現(xiàn)地下停車場的語音導航就顯得十分重要。文中將講述基于nanoPAN的無線定位，從而實現(xiàn)語音導航的引導車載系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構及硬件電路設計

系統(tǒng)以Cortex－M3系列ARM7芯片 STM32F103微控制器為核心，包括nanoPAN5375模塊、CC1101射頻模塊、超聲波模塊、語音模塊isd1700等電路，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Diagram of system

1.1 nanoPAN5735模塊

nanoPAN5375是一款基于 2.4 GHzISM頻帶 （2.400～2.483 5 GHz）上整合了放大、濾波等組件的RF模塊，它采用了nanotron的寬帶線性調頻擴頻（CSS）全球專利技術，可靈活地提供31.25 kbps～2 Mbps范圍的數(shù)據(jù)傳輸率，抗干擾性、動態(tài)特性非常好，同時提供具有極佳傳輸范圍的可靠數(shù)據(jù)通信。通過采用一個技術成熟的MAC控制器，可大大降低對微處理器和軟件的要求，輕松地完成高級別系統(tǒng)的設計[2]。nanoPAN5375模塊如圖2所示。

圖2 nanoPAN5375模塊Fig.2 Picture of nanoPAN5375 module

2 主要軟件設計

系統(tǒng)主要包含主機、固定節(jié)點和車位信息采集3個部分。主機通過nanoPAN5375模塊測得與3個固定節(jié)點的距離，經(jīng)過三邊質心算法確定車的位置，再經(jīng)過卡爾曼算法濾波；通過CC1101模塊接收超聲波模塊采集到的車位信息，控制isd1700模塊播報語音[6-7]。軟件主要包含nanoPAN5375的測距、三邊質心算法、卡爾曼濾波算法、CC1101模塊的信息接收、語音播報等功能。固定節(jié)點部分的nanoPAN5375模塊處于等待接收的狀態(tài)，接收到測距信息時，反饋回主機。車位信息采集是通過控制超聲波模塊測距，判斷車位是否是空車位，通過CC1101模塊發(fā)送到主機。

如圖3所示，三邊質心算法主要實現(xiàn)確定主機的位置，系統(tǒng)通過測量主機到3個固定節(jié)點的距離，計算相交圓的公共區(qū)域的質心來提高對主機位置估算的精度[1，3，5]。

圖3 三邊質心法Fig.3 Method of trilateral centroid

設未知節(jié)點 D 坐標（x，y），已知 A，B，C 3 個點坐標分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3） ，它們到 D 的距離分別為 d1，d2，d3。則可得如下方程組:

根據(jù)式 （1）、（2）、（3） 可解出圓 A 與圓 C 的交點（xac1，yac1），（xac2，yac2）， 圓 B 與圓 C 的交點（xbc1，ybc1），（xbc2，ybc2），圓 A與圓 B 的交點（xab1，yab1），（xab2，yab2）。

通過將圓 A 與圓 C 的交點（xac1，yac1），（xac2，yac2）代入式（xx2）2+（y-y2）2，判斷大小可找出2點距圓 B的圓心較近的點，假設為（xac1，yac1）。同理可找出圓B，圓C交點中距圓A較近的點，設為（xbc1，ybc1），圓A，圓 B交點中距圓 C的圓心較近的點設為（xbc1，ybc1）。

依據(jù)質心思想估算未知節(jié)點的坐標為

根據(jù)以上算法求出主機的位置之后，再利用卡爾曼濾波的推測值來校正主機的測試值，提高系統(tǒng)精度。

卡爾曼濾波是一種高效率的遞歸濾波器 （自回歸濾波器），它能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測量中，估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。目標的位置、速度、加速度的測量值往往在任何時候都有噪聲?？柭鼮V波利用目標的動態(tài)信息，設法去掉噪聲的影響，得到一個關于目標位置的好的估計。這個估計可以是對當前目標位置的估計，也可以是對于將來位置的估計（預測），也可以是對過去位置的估計（插值或平滑）[4]。

圖4 主機和節(jié)點的分布示意圖Fig.4 Distributed diagram of anchor and tags

3 系統(tǒng)測試與測試結果

系統(tǒng)測試節(jié)點和主機的分布示意圖如圖4所示。將3個節(jié)點固定在邊長為12 m的等邊三角形的3個頂點上，當超聲波模塊檢測到空車位時，主機選擇最近的空車位進行導航，當前方5m處有交叉路口時，提示車主“向左轉”或“向右轉”，將人準確地導航至目標地址。在邊長為6 m的等邊三角形內，測量主機的位置坐標，并記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 在邊長為6 m的等邊三角形內的測試Tab.1 Test in the equilateral triangle of 6 m

實驗結果表明，節(jié)點的距離增大時，經(jīng)過三邊質心算法和卡爾曼濾波算法，得到非常精確的坐標值，主機與3個節(jié)點在較大范圍測量的距離如表2所示。

圖5 表1的數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Data curve of table 1

表2 主機與3個節(jié)點的距離Tab.2 Distance of anchor to tags

4 結 論

本地下停車場語音導航系統(tǒng)以Cortex-M3系列ARM7芯片STM32F103微控制器為核心，包括nanoPAN5375模塊、CC1101模塊、語音模塊isd1700、超聲波模塊等電路，軟件采用三邊質心算法和卡爾曼濾波算法。試驗表明，在邊長為6 m的等邊三角形內，x坐標的平均誤差為0.42 m，最大誤差為0.62 m，y坐標的平均誤差為0.42 m，最大誤差為0.74 m；在邊長為70 m的等邊三角形內，x坐標的誤差為0.33 m，y坐標的誤差為0.36 m。由于小汽車的長度均大于4 m，因此上述誤差不影響對車的導航。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能將人較為精確地導航至目標位置。

[1]高雷，鄭相全，張鴻.無線傳感器網(wǎng)絡中一種基于三邊測量法和質心算法的節(jié)點定位算法[J].自然科學，2009（23）:138-141.

GAO Lei，ZHENG Xiang-quan，ZHANG Hong.A nodelocalization algorithm for wireless sensor network based on trilateration and centroid algorithm[J].Natural Science，2009（23）:138-141.

[2]楊駿，陳建政，馮艷波.基于NanoPAN5375的測力論對無線傳輸系統(tǒng)[J].工程與實驗，2009（4）:75-77.

YANG Jun，CHEN Jian-zheng，F(xiàn)ENG Yan-bo.Wireless transmission system of measuring wheelset based of NanoPAN5375[J].Engineering&Test，2009（4）：75-77.

[3]葉蔚.室內無線定位的研究[D].廣州：華南理工大學，2010.

[4]宋迎春.動態(tài)定位中的卡爾曼濾波研究[D].長沙：中南大學信息物理工程學院，2006.

[5]裴慶祺，趙軍.基于網(wǎng)格分布的三角形內點測試定位算法[J].計算機工程與設計，2008（29）:4658-4661.

PEI Qing-qi，ZHAO Jun.Grid placement-based point-intriangulation in wireless sensor network[J].Computer Engineering and Design，2008（29）:4658-4661.

[6]劉春榮.基于SPCE061A單片機車載語音導航系統(tǒng)的研究[J].微計算機應用，2009（30）:77-80.

LIU Chun-rong.Vehicle voice navigation system’s research based on SPCE061A microcomputer[J].Microcomputer Applications，2009（30）:77-80.

[7]杜甲印，孫志鋒.嵌入式車載語音導航系統(tǒng)的語音提示設計[J].機電工程，2007（24）:28-30.

DU Jia-yin，SUN Zhi-feng.Design of the voice of embedded navigation system[J].Mechanical&Electrical Engineering Magazine，2007（24）:28-30.

Voice navigation system of underground parking lot based on nanoPAN5375

ZHENG Yi-sheng， SUN Dao-zong，YAO Yao-hua， HUANG Xiao-yuan
（College of Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China）

Currently GPS navigation application is proper mature and has a high precision，but it has a very weak signal at underground parking lots and other indoor places.In these cases， GPS signal can’t navigate the cars， and at the same time，the current underground parking lots are not in good intelligence.In order to avoid the owner to look for the parking blindly and make the owner’s convenience to look for the parking， a voice navigation system is designed and produced based on nanoPAN5375.The system consists of four nanoPAN5375 modules， two CC1101 modules， ultrasonic module and isd1700 module.With STM32F103 micro controller as the core chip， nanoPAN5375 module for wireless positioning， CC1101 module transmission ultrasonic module to collect the parking information， voice module isd1700 for speech navigation， the software adopts Trilateral Centroid Algorithm and Kalman Filtering Algorithm.Experiments show that，in 6 meters side length of an equilateral triangle， the average error of x coordinate is 0.42 meters， y coordinate’s is 0.42 meters； the system within 12 meters side length of an equilateral triangle achieves a relatively accurate voice navigation.

wireless location；nanoPAN5375 module；trilateral centroid algorithm；voice navigation

TN962

A

1674－6236（2013）07－0062－03

2012－11－21稿件編號201211182

廣東省科技計劃項目（2011B020313019）

鄭逸生（1989—），男，廣東汕頭人。研究方向：嵌入式系統(tǒng)在無線定位中的應用。