高危生產(chǎn)區域人員定位節點(diǎn)的電路設計

摘要：為了適應室內人員追蹤定位系統對節點(diǎn)體積、供電、定位精度等的要求，提出了一種以ATmega128L單片機和NA5TR1無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片為核心的無(wú)線(xiàn)定位節點(diǎn)的硬件電路設計方案。ATmega128L單片機具有低功耗的體眠模式，能有效降低節點(diǎn)功耗，NA5TR1無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片采用線(xiàn)性調頻擴頻技術(shù)進(jìn)行測距，經(jīng)實(shí)驗證明，該測距方法能有效地提高測距精度，從而提高定位的精度。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)定位；節點(diǎn)設計；線(xiàn)性調頻擴頻；NA5TR1；ATmega128L

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多新型的化工企業(yè)正向著(zhù)信息化、智能化、無(wú)人化的方向發(fā)展，但在其發(fā)展過(guò)程中，傳統人工監測設備的方法仍將在高危生產(chǎn)區域中占據主導。盡管已經(jīng)采取很多措施以提高整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的安全性能，一些由設備隱患、制度缺陷、工作疏忽或個(gè)人違章行為等原因引起的安全事故仍舊威脅著(zhù)現場(chǎng)工作人員的生命安全。在提高工作人員的安全意識和改進(jìn)設備來(lái)避免事故發(fā)生的同時(shí)，也要在事故發(fā)生之后采取有效的措施使資源、財產(chǎn)、生命的損失降到最低，尤其是要保障高危生產(chǎn)區域工作人員的生命安全。在事故發(fā)生以后，如果能對事故現場(chǎng)遇難人員的位置進(jìn)行定位，將可以大大加快搜救的速度，提高搜救的效率。目前可用來(lái)室內定位的技術(shù)主要有紅外線(xiàn)室內定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、射頻識別技術(shù)、藍牙技術(shù)、Zigbee技術(shù)等，但是這些技術(shù)在室內定位領(lǐng)域有著(zhù)各自的不足。例如，紅外和超聲波無(wú)法對移動(dòng)的物體進(jìn)行定位；射頻識別技術(shù)通信距離短，定位精度低；藍牙技術(shù)功耗大，傳輸距離短，穩定性差；Zigbee技術(shù)定位精度低，抗干擾能力弱等。除了這些技術(shù)外，還有最新的線(xiàn)性調頻擴頻技術(shù)，線(xiàn)性調頻擴頻技術(shù)利用射頻信號到達的時(shí)間差來(lái)測量節點(diǎn)間的距離，進(jìn)而對節點(diǎn)進(jìn)行定位。該技術(shù)具有發(fā)射功率低、通信穩定性好、抗干擾能力強、定位精度高等特點(diǎn)，能很好地用于化工生產(chǎn)環(huán)境的人員定位。本文采用的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片即為利用CSS技術(shù)的NA5TR1。

1 線(xiàn)性調頻擴頻技術(shù)
Chirp信號是瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線(xiàn)性變化的正弦波信號，通過(guò)對載波頻率進(jìn)行調制以增加信號的發(fā)射帶寬并在接收時(shí)實(shí)現脈沖壓縮，頻譜帶寬較大，具有良好的自相關(guān)性。用Chirp信號進(jìn)行擴頻的通信方式被稱(chēng)為線(xiàn)性調頻擴頻?；诰€(xiàn)性調頻擴頻的測距過(guò)程如圖1所示。第1次測量時(shí)，節點(diǎn)1向節點(diǎn)2發(fā)送數據包并接收節點(diǎn)2發(fā)送的應答，計算出從發(fā)出數據包到接收到應答的傳播延時(shí)T1，節點(diǎn)2從接收到數據包開(kāi)始計時(shí)，一直到節點(diǎn)2發(fā)送出應答即停止計時(shí)，得到處理延時(shí)T2。第二次測量時(shí)，節點(diǎn)2向節點(diǎn)1發(fā)送含有T2的數據包并接收節點(diǎn)1發(fā)送的應答，同第一次測量一樣，節點(diǎn)2計算出傳播延時(shí)T3，節點(diǎn)1計算出處理延時(shí)T4。最后，節點(diǎn)2再向節點(diǎn)1發(fā)送含有T3的數據包，節點(diǎn)1根據得到的4個(gè)延時(shí)數據以及信號的傳播速度通過(guò)公式(1)計算出兩節點(diǎn)間的距離d，其中c為射頻的傳播速度，約為光速。
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