基于NA5TR1的無(wú)線(xiàn)定位節點(diǎn)的設計

摘要：提出了基于對稱(chēng)雙邊兩路測距(SDS-TWR)機制的無(wú)線(xiàn)定位節點(diǎn)設計方案。定位節點(diǎn)采用NA5TR1為無(wú)線(xiàn)定位節點(diǎn)的核心器件，該器件內部集成了具有雙邊兩路測距功能的模塊和2．45 GHz ISM RF收發(fā)器，利用ATmega644v單片機為控制器，完成無(wú)線(xiàn)定位節點(diǎn)的整體設計，并給出無(wú)線(xiàn)定位節點(diǎn)電路原理圖。節點(diǎn)通過(guò)測量不同基站間數據延遲時(shí)間差，實(shí)時(shí)計算出基站間的距離，經(jīng)上位機對距離數據的處理，實(shí)現對目標的定位。測試結果表明，定位節點(diǎn)測距精度高，通信最遠距離達600 m。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)定位；節點(diǎn)設計；NA5TR1；ATmega644v

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信、微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的發(fā)展。目前常用的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)有GPS技術(shù)、Zibgee技術(shù)、藍牙技術(shù)、紅外技術(shù)等，根據不同領(lǐng)域對定位精度的要求，以上技術(shù)應用于實(shí)時(shí)定位跟蹤、醫療、工業(yè)檢查及控制、安全管理等領(lǐng)域但這些定位技術(shù)的定位精度都不高，一般在3m以上。利用NA5TR1芯片，采用均勻的雙邊兩路測距技術(shù)，可以實(shí)現定位精度在1 m以?xún)?，?jīng)過(guò)軟放大或硬件放大后，數據傳輸距離可達800m。

1 無(wú)線(xiàn)定位系統
無(wú)線(xiàn)定位系統包括參考節點(diǎn)和移動(dòng)節點(diǎn)，參考節點(diǎn)按照一定的規律固定地放置在需要定位的區域，一般將參考節點(diǎn)放置在矩形區域的4個(gè)頂角位置，并按照矩形的兩條平行線(xiàn)進(jìn)行區域擴展，移動(dòng)節點(diǎn)放置在被定位的實(shí)體上。選擇一個(gè)參考節點(diǎn)與上位機連接，實(shí)現數據的采集及處理，從而實(shí)現定位的目的。由于NA5TR1具有測距的功能，上位機接收到的數據是不同參考節點(diǎn)到被定位實(shí)體的距離，利用合理的算法，對距離數據進(jìn)行計算處理，最終實(shí)現目標定位。

2 定位節點(diǎn)的特征
定位節點(diǎn)是放置在需要定位區域的固定參考節點(diǎn)，該節點(diǎn)具有體積小、功耗低、高精度測距的功能、并能實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的收發(fā)。定位節點(diǎn)主要包括ATmega644v單片機、NA5TR1無(wú)線(xiàn)射頻芯片、電源模塊及接口模塊等組成。NA5TR1芯片實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的收發(fā)并具有測距功能，單片機通過(guò)SPI接口實(shí)現對NA5TR1的控制及數據處理和與上位機連接。由于需要定位區域的環(huán)境狀況的不確定性及定位節點(diǎn)需要長(cháng)時(shí)間的工作，在設計定位節點(diǎn)時(shí)需要選擇性能穩定、成本低、集成度高、測距精度高的芯片，NA5TR1內部集成了具有雙邊兩路測距的功能模塊和2．45 GHz ISM RF收發(fā)器。滿(mǎn)足高精度定位節點(diǎn)設計的要求。

3 NA5TR1芯片的性能及特征
NASTR1是NANOTRON公司推出的具有短距離高精度測距功能的無(wú)線(xiàn)射頻芯片。該芯片集成了2．45 GHz ISM RF收發(fā)器，在硬件方面支持測距功能(鏈接點(diǎn)之間的距離測量)、FDMA(頻分復用通道Frequency Division MultiplexAccess)帶有3個(gè)非疊加頻率通道和7個(gè)疊加的頻率通道、象征性的0 dBm能量輸出、常規條件下，RF靈敏度≤-95 dBm@BER=0．001、RSSI靈敏度達到-95 dBm(僅對于匹配的尖脈沖)，適應的溫度范圍工業(yè)級：T=-40～+85℃，帶內載波干擾比(C／I)：C／I=0…3 dB@250 kbps@C=-80 dBm，允許的電壓范圍：2．3～2．7 V，具有節能的掉電模式，掉電模式下的最小工作電流≤2Ua，外部控制器通過(guò)軟件控制芯片的節能模式，為外部控制器提供32．768 kHz時(shí)鐘信號、集成了SPI接口(32 Mb／s，只能是從模式)、集成了幀緩沖器，微控制器管理功能，4位通用的數據I／O口，便于連接傳感器，在嚴實(shí)時(shí)性和緊急任務(wù)計算的條件下，提供硬件MAC加速功能。
NA5TR1包括了NA1TR8的大部分功能，但增加了一些新的功能。主要有：信道、數據分散延遲線(xiàn)吸收、快速尖脈沖序列接口、默認的標準指令集、可編程上拉電阻。信道是將一個(gè)寬頻帶分成許多窄頻帶，NA5TR1所用的帶寬是2．4 GHzISM頻帶(2．4～2．483 5 GHz)。然而，用戶(hù)可以通過(guò)對芯片編程，使用80 MHz的帶寬?；蛘?2MHz的帶寬。這樣可以與符合ISM帶寬的設備實(shí)現信道共享。NA5TR1的信道功能使用FDMA技術(shù)實(shí)現。此技術(shù)可以將80 MHz頻帶分成幾個(gè)獨立復用的符合ISM標準的22 MHz的頻帶。這個(gè)窄帶能被設成任意的22 MHz的頻率。
NA5TR1可完成測距的功能，采用對稱(chēng)雙邊兩路測距方法(SDS-TWR)。僅用兩個(gè)基站就可以實(shí)現測距，通過(guò)兩個(gè)基站的相互通信及應答，4個(gè)通信過(guò)程如下：A基站的數據包發(fā)給B基站，B基站的一個(gè)應答數據包發(fā)給A基站。B基站的數據包發(fā)給A基站，A基站的一個(gè)應答數據包發(fā)給B基站。采用信號傳播延遲(發(fā)送和應答)和響應數據包的處理延遲，兩個(gè)基站間的距離就可以計算出來(lái)，如圖1所示。D=(T1-T2)／2。