無(wú)線(xiàn)局域定位系統的分析與設計

2004年10月A版

摘   要： 本文介紹的無(wú)線(xiàn)局域定位系統實(shí)質(zhì)上是一個(gè)典型射頻識別系統(RFID)在個(gè)人定位上的應用。文章對該系統設計要點(diǎn)進(jìn)行了理論分析，并介紹了相應的解決方案。
關(guān)鍵詞： RFID；個(gè)人定位；自動(dòng)識別

引言
本文闡述的個(gè)人位置跟蹤系統是射頻識別系統(RFID)在個(gè)人定位上的應用，即利用無(wú)線(xiàn)鏈路的方式實(shí)現個(gè)人的位置定位的系統。系統的頻率為433MHz，通信距離為200米。系統分為手持臺、基站和信息處理的數據庫?；驹硎峭ㄟ^(guò)定時(shí)發(fā)射基站發(fā)射同步時(shí)鐘信號，手持臺接收到該信號后，按照一定的次序同接收基站進(jìn)行數據交換。交換完數據信息后，基站即時(shí)更新數據庫，并由管理PC機顯示，需要時(shí)可以報警。
空中鏈路安排
通常在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)接收系統設計之前，必須進(jìn)行鏈路預算分析的演示。通過(guò)演示，可以預知在特定的輸出誤碼率(BER)和信噪比(SNR)下，為達到設計要求，接收機所需要的噪聲系數(NF)、增益、和發(fā)射機的輸出功率等。由射頻理論可知，信號的自由空間損耗：
L(dBm)=20log(4R/)=20log(4Rf/c)
式中：R為通信距離；f為信號頻率；c為光速。
當f以MHz為單位，R以km為單位時(shí)，可以得到：
L(dBm)=32.45+20logf(MHz) +20logR(km)
若以433MHz作為空中鏈路頻率，則L(dBm)=85.2+20logR(km)。
相應的數值列表如表1。
由于通信距離設定為200米，故空中動(dòng)態(tài)為1米至200米，即動(dòng)態(tài)范圍為71.2-25.2＝46dB ?？紤]到身體的不同方向衰減30dB，則動(dòng)態(tài)范圍達46+30＝76dB。 當然，實(shí)際信號在傳播過(guò)程中往往不止自由空間損耗，還有其它的損耗，這將使空中鏈路更加惡化。一般通過(guò)增加發(fā)送的功率，減低接收NF，增加接收增益和提高發(fā)射與接收天線(xiàn)增益可以使這些損耗得到補償。  
手持臺的電路由兩部分組成：第一部分是單片機，其主要的功能是用于控制射頻RF模塊和保存與手持臺ID相關(guān)的信息。射頻模塊則負責接收和發(fā)射基站MCU送來(lái)的信號。由于手持臺采用電池供電，所以功耗、接收靈敏度以及低工作電壓是其重要的指標。

圖1  手持臺的軟件流程圖

圖2  復時(shí)發(fā)射基站電路框圖

手持臺重要的參數有：

手持臺的電路可以由CHIPCON公司的單片射頻收發(fā)芯片CC1000，和TI公司的MSP430F1121微處理器組成。CC1000是一款低功耗、低工作電壓、單片UHF無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。該芯片主要為工業(yè)生產(chǎn)、科技和醫藥應用方面實(shí)現在小范圍、短距離通信而設計。頻率一般工作在315，433，868和915MHz，但是通過(guò)專(zhuān)用軟件可以很容易計算出使該芯片運行在300~1000MHz內任一頻率上所需的參數，并通過(guò)與各種微處理器的配合可以方便快捷地定義其工作狀態(tài)。MSP430F1121微處理器也是一種具有超低功耗特性的功能強大的單片機。它有多種工作模式，工作電流視工作模式的不同為0.1至400uA 。一個(gè)中斷可以將系統從各種工作模式中喚醒。而RETI指令又使MSP430返回到中斷事件發(fā)生前的工作模式。因此為手持臺節省能耗成為可能。另外通過(guò)MSP430微處理器可以完成對CC1000的各種工作狀態(tài)設置，方便快捷。由這兩個(gè)IC構成的電路完全可以滿(mǎn)足手持臺的技術(shù)指標列舉如下：

手持臺的軟件流程圖如圖1所示。
基站的基本特性及軟硬件設計如下：

定時(shí)發(fā)射基站主要的作用是負責每隔一定時(shí)間發(fā)送一個(gè)同步時(shí)鐘信號給各個(gè)手持臺。手持臺接到信號后即開(kāi)始用計時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，不同的手持臺計時(shí)時(shí)間可以通過(guò)修改程序使計時(shí)時(shí)間錯開(kāi)，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待中斷喚醒。
一個(gè)區域只可安裝一個(gè)定時(shí)發(fā)射臺，如果需要多臺，則需要GPS定時(shí)。根據系統的需要，定時(shí)發(fā)射臺的作用距離為1km，由上文可知路徑損耗為85.2dB,接收靈敏度為-96dBm，加上30dB的保護能量，則接收機要求的能量為-96+33＝-66dBm。如果定時(shí)發(fā)射臺的天線(xiàn)是全向的，G＝30dB，則發(fā)射機的功率要大于(-66+85.2)dBm=19.2dBm。
按發(fā)射功率為1W來(lái)設計，設計的定時(shí)發(fā)射基站的電路框圖如2所示。

接收基站主要的作用是負責接收各個(gè)手持設備發(fā)送的數據信息。并負責將所有的數據信息及時(shí)傳送給管理PC機，管理PC機根據這些信息即時(shí)更新數據庫。接收基站可以多點(diǎn)分布。
根據系統設計要求，接收距離按200m來(lái)設計。手持臺的發(fā)射功率為0dBm,加上40dB的保護帶，所以接收站接收到的功率為：-71.2-40＝-111.2dBm。
若天線(xiàn)增益收發(fā)相抵為0dB，則接收的靈敏度為-111.2dBm，設中頻帶寬設定為200kHz，則最低的可檢測輸入功率電平Pmin=-174+53＝-121dBm，此時(shí)前端濾波插入損耗L≤4dB，則NF必須<5dB所以電路框圖如圖3所示。
另外，考慮到在0.001km處，空中鏈路衰減25.2dB，所以接收基站收到的最大能量為-25.2dBm，由此可得系統的動(dòng)態(tài)為(-25.2+111.2)dB =86dB。
為了保證正常的通路，因此在接收基站，需要加低噪聲放大器LNA(G≥15dB，NF1≤2dB),同時(shí)要有可調衰減為20dB的自動(dòng)增益控制電路AGC。
根據實(shí)際設計的需要，前端濾波器采用f＝433MHz的聲表面波濾波器，其插入損耗L＝1.5dB。由于無(wú)源有耗網(wǎng)絡(luò )的噪聲系數為：

系統的噪聲系數為：

1.41+0.36+0.38=2.16
則：NF＝3.34dB<5dB，完全滿(mǎn)足系統設計的要求。
基站的RF模塊也使用單片射頻收發(fā)芯片CC1000。但是為了節省成本，MCU可以使用51系列單片機。由于CC1000電源的電壓為3V，因此需要設計一個(gè)從3V電平轉換到5V電平的轉換電路。轉換電路既可以使用專(zhuān)用的電平轉換芯片，如Philips公司的74LVC4245 和 Maxim公司的MAX3370，還可以采用CHIPCON公司開(kāi)發(fā)板上的轉換電路方案。
當通信范圍不是很大的情況下，比如說(shuō)就在200米范圍內，則定時(shí)發(fā)射基站和接收基站可以合二為一。這時(shí)基站的軟件流程圖如圖4所示。

功耗分析
在系統的設計中，由于手持臺使用紐扣電池作為系統供電方式。因此，手持臺的功耗是設計時(shí)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一，可以說(shuō)是本系統成功的關(guān)鍵。為了闡明功耗問(wèn)題，首先需要分析基本空中數據的傳輸過(guò)程。
根據系統設計的需要，定時(shí)發(fā)射基站每5s必須作一次定時(shí)發(fā)射，且系統的容量為256，用19.2k波特率傳輸數據。136bit的定時(shí)碼幀格式如下。

圖3 接收基站電路框圖

圖4 基站軟件總體流程圖

由于一幀數據的容量共為136bit，發(fā)送所需時(shí)間136