基于CSS技術(shù)的室內定位通信系統的研究與實(shí)現

無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)近年來(lái)在工業(yè)和研究領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注，高精度的定位服務(wù)在移動(dòng)通信、智能交通和醫療等領(lǐng)域都具有廣泛的應用前景。目前使用最廣的是 GPS定位系統，其在室外環(huán)境下具有很突出的性能，能為飛機、船舶和車(chē)輛等目標提供精確的定位信息和導航服務(wù)。但是GPS系統的定位信號無(wú)法穿透建筑物， 不能完成對室內目標的定位[1]。針對無(wú)線(xiàn)定位領(lǐng)域，IEEE802.15.4a定義了兩種可實(shí)現高精度定位的物理層——脈沖超寬帶和Chirp擴頻 （CSS）[2-3]。Chirp信號又稱(chēng)線(xiàn)性調頻信號，最先應用在雷達領(lǐng)域，隨著(zhù)聲表面波（SAW）器件發(fā)展，其掃頻帶寬不斷增大，已經(jīng)具有了一般超寬 帶信號的特點(diǎn)。Chirp擴頻信號具有時(shí)間分辨率高、抗多徑能力強、傳輸速率高、功耗低和系統復雜度低等特點(diǎn)，非常適合用于室內目標定位[4-6]。
本文設計了基于Chirp擴頻信號的室內定位通信系統，在利用Chirp擴頻信號實(shí)現數據通信的基礎上，使用雙邊雙向測距算法SDS- TWR（Symmetric Double Sided Two-Way Ranging）測量端點(diǎn)間的距離[7]，計算出標簽點(diǎn)位置信息，并針對多標簽點(diǎn)同時(shí)定位情況下產(chǎn)生的沖突問(wèn)題，設計了一套多標簽點(diǎn)情況下的系統管理算 法，對系統進(jìn)行有效管理。
1 系統模型
本文是基于多移動(dòng)標簽點(diǎn)情況下的定位方案，其系統的結構如圖1所示。系統的組成包括4個(gè)固定錨節點(diǎn)（Anchor1、Anchor2、Anchor3和 Anchor4）、多個(gè)移動(dòng)標簽點(diǎn)（Tag1、Tag2及Tag3等）和定位服務(wù)器。4個(gè)錨節點(diǎn)固定在定位服務(wù)區域的4個(gè)固定坐標點(diǎn)上，定位區域內的移動(dòng) 標簽點(diǎn)處于對等關(guān)系，可以進(jìn)行定位及相互間的數據通信。該系統使用一種改進(jìn)的TOA測距算法——對稱(chēng)雙邊雙向測距算法（SDS-TWR），利用該算法不需 要標簽點(diǎn)和錨節點(diǎn)的時(shí)鐘同步的優(yōu)點(diǎn)，降低系統的實(shí)現難度[8]。系統工作時(shí)，當有移動(dòng)標簽點(diǎn)需要定位時(shí)，系統標簽點(diǎn)依次向各個(gè)固定錨節點(diǎn)發(fā)出測距信號，固 定錨節點(diǎn)收到測距信號后，根據SDS-TWR算法產(chǎn)生相應的應答信號，與移動(dòng)標簽點(diǎn)完成測距。移動(dòng)標簽點(diǎn)分別與4個(gè)固定錨節點(diǎn)完成測距后，將距離信息通過(guò) USB接口送入與其連接的定位服務(wù)器。由于各固定錨節點(diǎn)的坐標已知，定位服務(wù)器可以通過(guò)LLOP算法計算出移動(dòng)標簽的坐標，并進(jìn)行顯示。

2 硬件設計
目前，Chirp信號的調制與解調主要使用聲表面波器件（SAW）完成，單獨設計并完成一套Chirp信號發(fā)射機和接收機較為復雜，成本較高，并且不利 于硬件的集成化。本系統選用nanoPAN 5375射頻收發(fā)模來(lái)完成基本的Chirp通信功能。nanoPAN 5375射頻收發(fā)模塊由德國nanotron公司生產(chǎn)，采用Chirp擴頻技術(shù)，擴頻帶寬達到80 MHz，工作在2.4 GHz ISM頻段，最高數據傳輸速率高達2 Mb/s。此外，其內部包含高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和定時(shí)器，利于SDS-TWR測距算法的實(shí)現。nanoPAN 5375射頻收發(fā)模內部完成了對射頻信號的產(chǎn)生與處理，只需要通過(guò)SPI接口對其內部寄存器進(jìn)行操作。系統的硬件結構可以分為移動(dòng)標簽點(diǎn)和錨節點(diǎn)兩部分。
2.1 錨節點(diǎn)硬件設計
錨節點(diǎn)的硬件主要基于Atmega128 8 bit單片機和nanoPAN 5375射頻收發(fā)模塊。Atmega128屬于A(yíng)VR系列，具有低功耗、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，并且自帶完整的SPI接口控制器，可以作為主機和從設備使用，能 夠勝任錨節點(diǎn)中對nanoPAN 5375射頻模塊的控制及數據收發(fā)工作。nanoPAN 5375射頻模塊的ANT腳通過(guò)一條阻抗為50 ?贅的微帶線(xiàn)與2.4 GHz天線(xiàn)連接，微帶線(xiàn)的阻抗誤差會(huì )對發(fā)射信號的功率產(chǎn)生影響。錨節點(diǎn)硬件結構框圖如圖2所示。

　模擬信號的調制、解調和放大等處理都由nanoPAN 5375模塊完成，并通過(guò)2.4 GHz天線(xiàn)進(jìn)行收發(fā)。JTAG接口和RS232接口則用于系統的調試。Atmega128單片機通過(guò)SPI總線(xiàn)和幾個(gè)控制端口對模塊進(jìn)行控制。 Atmega128單片機與nanoPAN 5375射頻模塊的連接如圖3所示。SPICLK、SPIRXD、SPITXD、SPISSN分別為SPI總線(xiàn)的時(shí)鐘、數據接收、數據發(fā)送和片選端口。通 過(guò)PONRESET引腳對模塊進(jìn)行復位，模塊初始化前應通過(guò)該引腳對模塊進(jìn)行復位操作。UCIRQ和UCRESET分別為單片機中斷和復位引腳。

3 系統軟件設計

　系統軟件分為標簽點(diǎn)/錨節點(diǎn)軟件和定位服務(wù)器軟件兩部分。標簽/錨節點(diǎn)軟件完成SPI接口驅動(dòng)、測距算法、測距結果返回和系統管理算法；定位服務(wù)器軟件完成與標簽點(diǎn)的接口驅動(dòng)、數據處理計算和用戶(hù)界面。
nanoPAN 5375模塊的SPI接口的最高數據傳輸速率為16 Mb/s，接口的時(shí)序及數據模式可以通過(guò)寄存器進(jìn)行設置。Atmega128和STM32F103處理器帶有標準的SPI接口控制器，將它配置成主機模 式，數據格式設置為8 bit、大端模式，數據速率小于16 Mb/s。向nanoPAN 5375模塊的0x00地址寫(xiě)入0x42，將模塊的SPI接口設置成相同的模式。
對nanoPAN 5375模塊的控制程序主要包括ntrxinit.c、ntrxiqpar.c、ntrxdil.c和ntrxutil.c，它們的關(guān)系如圖6所示。 ntrxinit.c和ntrxiqpar.c完成對模塊硬件的初始化，包括寄存器、硬件接口、擴頻帶寬和傳輸速率的設定，本系統將帶寬設置為80 MHz，數據傳輸速率設置為最高的2 Mb/s。ntrxdil.c完成數據的接收與發(fā)送、定位算法和中斷響應等功能的具體實(shí)現函數。ntrxutil.c則封裝了大量與模塊操作相關(guān)的共用函 數，方便各模塊的調用。

　本系統使用的是對稱(chēng)雙邊雙向測距算法，它相當于在被定義的時(shí)間內進(jìn)行了兩次TOA測量。TOA測距通過(guò)測量信號在兩端點(diǎn)間的傳輸時(shí)間來(lái)測量距離，因此對 時(shí)間精度有著(zhù)嚴格的要求，這意味著(zhù)在兩次TOA測量的過(guò)程中不允許發(fā)生因數據碰撞而引起的重傳。這在單標簽點(diǎn)的情況下是很容易實(shí)現的，但是在多標簽點(diǎn)的環(huán) 境下就完全不同了。標簽點(diǎn)必須進(jìn)行統一的管理來(lái)避免碰撞的發(fā)生，且該管理算法必須保證整個(gè)系統的平等性與高效性。為了達到這一目標，設計了圖8所示的定位 管理算法。

在系統內的眾多標簽節點(diǎn)中選擇一個(gè)作為網(wǎng)絡(luò )主協(xié)調控制器來(lái)控制標簽節點(diǎn)和錨節點(diǎn)的時(shí)序。作為主協(xié)調控制器的標簽節點(diǎn)周期性地發(fā)送廣播包來(lái)發(fā)起空閑時(shí)隙的 競爭。每一個(gè)標簽在收到廣播信號后發(fā)送應答數據包競爭空閑時(shí)隙。作為主協(xié)調器的標簽節點(diǎn)接收到應答信號后，根據競爭選舉算法選出一個(gè)標簽點(diǎn)，同時(shí)廣播包含 選取結果的廣播數據包。各標簽點(diǎn)收到選舉結果后返回確認信號，沒(méi)有被選中的標簽點(diǎn)進(jìn)入等待狀態(tài)，被選中的標簽點(diǎn)和系統內的4個(gè)的錨節點(diǎn)分別進(jìn)行測距。在被 選中的標簽點(diǎn)完成測量之前，其余的標簽點(diǎn)進(jìn)入等待狀態(tài)等待下一次的時(shí)隙。被選中的標簽點(diǎn)完成測量后向作為主協(xié)調器的標簽節點(diǎn)發(fā)送定位完成信號并進(jìn)入等待模 式，主協(xié)調器標簽點(diǎn)收到定位完成信號后，重新發(fā)起競爭。為了避免某個(gè)標簽點(diǎn)被重復選取而造成的不平等，需要對標簽點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)先級管理。在編程中運用隊列原 理，一個(gè)標簽點(diǎn)完成定位后將其放入隊尾，使其競爭優(yōu)先級排到最低，從而避免重復分配造成的不平等。重復這些步驟直到所有的標簽點(diǎn)完成測量。
定位服務(wù)器在系統中主要完成與標簽點(diǎn)的接口驅動(dòng)、數據處理計算和用戶(hù)界面，通過(guò)USB接口接收標簽點(diǎn)的距離數據，使用LLOP算法計算出移動(dòng)標簽的坐 標，并通過(guò)顯示界面顯示出標簽點(diǎn)的相對位置信息。由于標簽節點(diǎn)使用USB接口，具有很強的通用性，因此定位服務(wù)器可以為PC或其他的嵌入式系統。
4 定位結果分析
該系統的最大定位距離可以達到800 m，為了檢驗該系統的定位性能，分別將該系統在室內和室外兩種環(huán)境下進(jìn)行定位實(shí)驗，定位結果如下。
4.1 室外環(huán)境定位
室外實(shí)驗選用一個(gè)寬闊的球場(chǎng)，定位區域內無(wú)障礙物，4個(gè)錨節點(diǎn)放置在一個(gè)60 m×60 m的正方形區域的4個(gè)端點(diǎn)。將標簽點(diǎn)放置在正方形區域內的多個(gè)已知坐標點(diǎn)上進(jìn)行測量，部分定位結果如圖9所示。

從圖10可以看出，室內環(huán)境下的測量坐標和實(shí)際坐標有一定的誤差，誤差的大小也相差較大。在小于2 m的區域誤差很大，這是由于在短距離條件下信號傳播時(shí)間較短，干擾、時(shí)鐘誤差和定時(shí)器誤差對測量結果的影響較大。大于2 m后的誤差明顯減小，有兩個(gè)點(diǎn)的誤差在20 cm以?xún)?，因此在中遠距離情況下，該系統在室內環(huán)境下也具有較高的定位精度。
通過(guò)比較兩種環(huán)境下的定位結果可以看出，在同為視距環(huán)境下，在室內定位精度與穩定性不如室外定位，這是因為室內環(huán)境受多徑效應干擾更為嚴重。同時(shí)可以看 到，定位距離在3 m以上的中遠距離定位的相對精度較高，這恰恰是實(shí)際室內定位應用中最常用的，因此，該系統具有較高的實(shí)用價(jià)值。
本文利用Chirp擴頻信號抗干擾、抗多徑能力強的特點(diǎn)，利用SDS-TWR測距算法，設計并實(shí)現了一個(gè)室內定位通信系統，并設計了一套系統管理算法實(shí) 現了對系統的管理，該系統在室外和室內都可以獲得較高的定位精度。該系統結構簡(jiǎn)單，具有很強的通用性，可以作為單獨的定位通信系統或者作為一個(gè)功能部件嵌 入到其他系統中，具有較廣的應用前景。
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