基于CSS技術(shù)的室內(nèi)定位通信系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

無線定位技術(shù)近年來在工業(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)在移動通信、智能交通和醫(yī)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(tǒng)，其在室外環(huán)境下具有很突出的性能，能為飛機、船舶和車輛等目標提供精確的定位信息和導航服務(wù)。但是GPS系統(tǒng)的定位信號無法穿透建筑物， 不能完成對室內(nèi)目標的定位[1]。針對無線定位領(lǐng)域，IEEE802.15.4a定義了兩種可實現(xiàn)高精度定位的物理層——脈沖超寬帶和Chirp擴頻 （CSS）[2-3]。Chirp信號又稱線性調(diào)頻信號，最先應用在雷達領(lǐng)域，隨著聲表面波（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。Chirp擴頻信號具有時間分辨率高、抗多徑能力強、傳輸速率高、功耗低和系統(tǒng)復雜度低等特點，非常適合用于室內(nèi)目標定位[4-6]。
本文設(shè)計了基于Chirp擴頻信號的室內(nèi)定位通信系統(tǒng)，在利用Chirp擴頻信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上，使用雙邊雙向測距算法SDS- TWR（Symmetric Double Sided Two-Way Ranging）測量端點間的距離[7]，計算出標簽點位置信息，并針對多標簽點同時定位情況下產(chǎn)生的沖突問題，設(shè)計了一套多標簽點情況下的系統(tǒng)管理算 法，對系統(tǒng)進行有效管理。
1 系統(tǒng)模型
本文是基于多移動標簽點情況下的定位方案，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的組成包括4個固定錨節(jié)點（Anchor1、Anchor2、Anchor3和 Anchor4）、多個移動標簽點（Tag1、Tag2及Tag3等）和定位服務(wù)器。4個錨節(jié)點固定在定位服務(wù)區(qū)域的4個固定坐標點上，定位區(qū)域內(nèi)的移動 標簽點處于對等關(guān)系，可以進行定位及相互間的數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)使用一種改進的TOA測距算法——對稱雙邊雙向測距算法（SDS-TWR），利用該算法不需 要標簽點和錨節(jié)點的時鐘同步的優(yōu)點，降低系統(tǒng)的實現(xiàn)難度[8]。系統(tǒng)工作時，當有移動標簽點需要定位時，系統(tǒng)標簽點依次向各個固定錨節(jié)點發(fā)出測距信號，固 定錨節(jié)點收到測距信號后，根據(jù)SDS-TWR算法產(chǎn)生相應的應答信號，與移動標簽點完成測距。移動標簽點分別與4個固定錨節(jié)點完成測距后，將距離信息通過 USB接口送入與其連接的定位服務(wù)器。由于各固定錨節(jié)點的坐標已知，定位服務(wù)器可以通過LLOP算法計算出移動標簽的坐標，并進行顯示。

2 硬件設(shè)計
目前，Chirp信號的調(diào)制與解調(diào)主要使用聲表面波器件（SAW）完成，單獨設(shè)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(tǒng)選用nanoPAN 5375射頻收發(fā)模來完成基本的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(shù)據(jù)傳輸速率高達2 Mb/s。此外，其內(nèi)部包含高精度的實時時鐘和定時器，利于SDS-TWR測距算法的實現(xiàn)。nanoPAN 5375射頻收發(fā)模內(nèi)部完成了對射頻信號的產(chǎn)生與處理，只需要通過SPI接口對其內(nèi)部寄存器進行操作。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可以分為移動標簽點和錨節(jié)點兩部分。
2.1 錨節(jié)點硬件設(shè)計
錨節(jié)點的硬件主要基于Atmega128 8 bit單片機和nanoPAN 5375射頻收發(fā)模塊。Atmega128屬于AVR系列，具有低功耗、操作簡單等特點，并且自帶完整的SPI接口控制器，可以作為主機和從設(shè)備使用，能 夠勝任錨節(jié)點中對nanoPAN 5375射頻模塊的控制及數(shù)據(jù)收發(fā)工作。nanoPAN 5375射頻模塊的ANT腳通過一條阻抗為50 ?贅的微帶線與2.4 GHz天線連接，微帶線的阻抗誤差會對發(fā)射信號的功率產(chǎn)生影響。錨節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　模擬信號的調(diào)制、解調(diào)和放大等處理都由nanoPAN 5375模塊完成，并通過2.4 GHz天線進行收發(fā)。JTAG接口和RS232接口則用于系統(tǒng)的調(diào)試。Atmega128單片機通過SPI總線和幾個控制端口對模塊進行控制。 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總線的時鐘、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送和片選端口。通 過PONRESET引腳對模塊進行復位，模塊初始化前應通過該引腳對模塊進行復位操作。UCIRQ和UCRESET分別為單片機中斷和復位引腳。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　系統(tǒng)軟件分為標簽點/錨節(jié)點軟件和定位服務(wù)器軟件兩部分。標簽/錨節(jié)點軟件完成SPI接口驅(qū)動、測距算法、測距結(jié)果返回和系統(tǒng)管理算法；定位服務(wù)器軟件完成與標簽點的接口驅(qū)動、數(shù)據(jù)處理計算和用戶界面。
nanoPAN 5375模塊的SPI接口的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為16 Mb/s，接口的時序及數(shù)據(jù)模式可以通過寄存器進行設(shè)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(shù)據(jù)格式設(shè)置為8 bit、大端模式，數(shù)據(jù)速率小于16 Mb/s。向nanoPAN 5375模塊的0x00地址寫入0x42，將模塊的SPI接口設(shè)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(shè)定，本系統(tǒng)將帶寬設(shè)置為80 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為最高的2 Mb/s。ntrxdil.c完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、定位算法和中斷響應等功能的具體實現(xiàn)函數(shù)。ntrxutil.c則封裝了大量與模塊操作相關(guān)的共用函 數(shù)，方便各模塊的調(diào)用。

　本系統(tǒng)使用的是對稱雙邊雙向測距算法，它相當于在被定義的時間內(nèi)進行了兩次TOA測量。TOA測距通過測量信號在兩端點間的傳輸時間來測量距離，因此對 時間精度有著嚴格的要求，這意味著在兩次TOA測量的過程中不允許發(fā)生因數(shù)據(jù)碰撞而引起的重傳。這在單標簽點的情況下是很容易實現(xiàn)的，但是在多標簽點的環(huán) 境下就完全不同了。標簽點必須進行統(tǒng)一的管理來避免碰撞的發(fā)生，且該管理算法必須保證整個系統(tǒng)的平等性與高效性。為了達到這一目標，設(shè)計了圖8所示的定位 管理算法。

在系統(tǒng)內(nèi)的眾多標簽節(jié)點中選擇一個作為網(wǎng)絡(luò)主協(xié)調(diào)控制器來控制標簽節(jié)點和錨節(jié)點的時序。作為主協(xié)調(diào)控制器的標簽節(jié)點周期性地發(fā)送廣播包來發(fā)起空閑時隙的 競爭。每一個標簽在收到廣播信號后發(fā)送應答數(shù)據(jù)包競爭空閑時隙。作為主協(xié)調(diào)器的標簽節(jié)點接收到應答信號后，根據(jù)競爭選舉算法選出一個標簽點，同時廣播包含 選取結(jié)果的廣播數(shù)據(jù)包。各標簽點收到選舉結(jié)果后返回確認信號，沒有被選中的標簽點進入等待狀態(tài)，被選中的標簽點和系統(tǒng)內(nèi)的4個的錨節(jié)點分別進行測距。在被 選中的標簽點完成測量之前，其余的標簽點進入等待狀態(tài)等待下一次的時隙。被選中的標簽點完成測量后向作為主協(xié)調(diào)器的標簽節(jié)點發(fā)送定位完成信號并進入等待模 式，主協(xié)調(diào)器標簽點收到定位完成信號后，重新發(fā)起競爭。為了避免某個標簽點被重復選取而造成的不平等，需要對標簽點進行優(yōu)先級管理。在編程中運用隊列原 理，一個標簽點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完成測量。
定位服務(wù)器在系統(tǒng)中主要完成與標簽點的接口驅(qū)動、數(shù)據(jù)處理計算和用戶界面，通過USB接口接收標簽點的距離數(shù)據(jù)，使用LLOP算法計算出移動標簽的坐 標，并通過顯示界面顯示出標簽點的相對位置信息。由于標簽節(jié)點使用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(tǒng)。
4 定位結(jié)果分析
該系統(tǒng)的最大定位距離可以達到800 m，為了檢驗該系統(tǒng)的定位性能，分別將該系統(tǒng)在室內(nèi)和室外兩種環(huán)境下進行定位實驗，定位結(jié)果如下。
4.1 室外環(huán)境定位
室外實驗選用一個寬闊的球場，定位區(qū)域內(nèi)無障礙物，4個錨節(jié)點放置在一個60 m×60 m的正方形區(qū)域的4個端點。將標簽點放置在正方形區(qū)域內(nèi)的多個已知坐標點上進行測量，部分定位結(jié)果如圖9所示。

從圖10可以看出，室內(nèi)環(huán)境下的測量坐標和實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(qū)域誤差很大，這是由于在短距離條件下信號傳播時間較短，干擾、時鐘誤差和定時器誤差對測量結(jié)果的影響較大。大于2 m后的誤差明顯減小，有兩個點的誤差在20 cm以內(nèi)，因此在中遠距離情況下，該系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境下也具有較高的定位精度。
通過比較兩種環(huán)境下的定位結(jié)果可以看出，在同為視距環(huán)境下，在室內(nèi)定位精度與穩(wěn)定性不如室外定位，這是因為室內(nèi)環(huán)境受多徑效應干擾更為嚴重。同時可以看 到，定位距離在3 m以上的中遠距離定位的相對精度較高，這恰恰是實際室內(nèi)定位應用中最常用的，因此，該系統(tǒng)具有較高的實用價值。
本文利用Chirp擴頻信號抗干擾、抗多徑能力強的特點，利用SDS-TWR測距算法，設(shè)計并實現(xiàn)了一個室內(nèi)定位通信系統(tǒng)，并設(shè)計了一套系統(tǒng)管理算法實 現(xiàn)了對系統(tǒng)的管理，該系統(tǒng)在室外和室內(nèi)都可以獲得較高的定位精度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有很強的通用性，可以作為單獨的定位通信系統(tǒng)或者作為一個功能部件嵌 入到其他系統(tǒng)中，具有較廣的應用前景。
參考文獻
[1] 廖丁毅，王玫，鄭霖，等．基于脈沖鎖相環(huán)的超寬帶定位接收機設(shè)計[J].桂林電子科技大學學報，2010，2（１）：17-20.
[2] KIM J E， KANG J， KIM D， et al． IEEE 802.15.4a CSS-based localization system for wireless sensor networks[C]. IEEE Interational Conference on Mobile Adhoc and Sevor Systems， 2007：1-3.
[3] LEE C， KIN J Y． The positioning system based on IEEE 802.15.4a PHY and MAC protocol for low rate WPAN[C]． International Conference on Control， Ａutomation and Systems， 2008：1462-1465.
[4] WINKLER M. Chirp signals for communications[C]. Wescon Convention Record， 1962.
[5] PINKNEY J. Low complexity indoor wireless data links using Chirp spread spectrum[D]. Calgary： Doctor Dissertation of the University of Calgary， 2003.
[6] BUSH H， MARTIN A R， COBB R F， et al. Application of Chirp SWD for spread spectrum communications[C]. Proceedings of the 1973 IEEE Ultrasonics Symposium， Monterey， IEEE Press， 1973：494-497.
[7] KWAK M， CHONG J. A new double two-way ranging algorithm for ranging system[C]. IEEE International Conference on Network Infrastructure and Digital Content， 2010：470-473.
[8] 劉林．無線定位基本概念與原理[J].學術(shù)動態(tài)，2007（4）：11-17.