基于nRF2401光線收發(fā)模塊和超聲波技術(shù)的精確定位系統(tǒng)的研制

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線電通信技術(shù)的發(fā)展，普適計(jì)算（Ubiquitous Computing）將被應(yīng)用在各種領(lǐng)域，融入到人們的日常生活中，提高人們的生活質(zhì)量和水平。普適計(jì)算的一個(gè)前題條件是必須獲取普適計(jì)算對象的位置信息，這個(gè)位置信息依據(jù)普適計(jì)算的不同應(yīng)用，可以是基于區(qū)域范圍的，也可以是基于精確坐標(biāo)的。 

有很多定位技術(shù)都可以對物體進(jìn)行定位，但適合普適計(jì)算要求的、對多個(gè)移動(dòng)物體精確定位的、電子系統(tǒng)復(fù)雜性低的技術(shù)卻并不多。普適計(jì)算的應(yīng)用環(huán)境一般在室內(nèi)，并且要求定位精度達(dá)到厘米級(jí)，定位系統(tǒng)必須能很方便地在空間布置?；跓o線收發(fā)模塊和超聲波技術(shù)的精確定位系統(tǒng)是一種可行的適合普適計(jì)算要求的定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是電子系統(tǒng)復(fù)雜性低，容易實(shí)現(xiàn)且成本低；定位精度高，容錯(cuò)性能好；定位信標(biāo)體積小，可以附著在任何需要定位的移動(dòng)或不移動(dòng)物體上；除了被定位物體策動(dòng)定位請求外，還允許外部網(wǎng)絡(luò)策動(dòng)定位請求和監(jiān)控被定位物體。 

1 定位系統(tǒng)的組成 

定位系統(tǒng)的組成如圖1所示。超聲波信標(biāo)節(jié)點(diǎn)由無線收/發(fā)模塊、MCU、超聲波發(fā)射頭、與被定位物體通信的接口和電源等組成；傳感器節(jié)點(diǎn)（即普通節(jié)點(diǎn)）由無線收/發(fā)模塊、MCU、超聲波接收頭和電源等組成；而中心節(jié)點(diǎn)則由無線收/發(fā)模塊、DSP、與外部網(wǎng)絡(luò)（可用于策動(dòng)定位請求和監(jiān)視追蹤目標(biāo)）的接口等幾部分組成，具有極強(qiáng)的計(jì)算能力，用于控制定位系統(tǒng)中超聲波發(fā)射和接收的同步。每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的空間位置在這個(gè)定位系統(tǒng)構(gòu)筑期間已經(jīng)確定，并存儲(chǔ)在中心節(jié)點(diǎn)內(nèi)。定位請求可以由外部網(wǎng)絡(luò)通過中心節(jié)點(diǎn)發(fā)起，也可以由被定位物體通過其附著的超聲波信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)起，分別如圖2和圖3所示。定位請求的主要內(nèi)容是被定位物體的ID。 

無論是誰發(fā)起的定位請求，當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)收到定位請求時(shí)，馬上以廣播方式發(fā)布定位公告（內(nèi)容包含被定位特體的ID和發(fā)起源標(biāo)志）。超聲波信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到與其所附物體相同ID的定位公告后，馬上發(fā)射超聲波信標(biāo)；而普通節(jié)點(diǎn)i(1<i<n)收到定位公告后，便啟動(dòng)計(jì)時(shí)器并接收超聲波信號(hào)。普通節(jié)點(diǎn)一旦接收到超聲波信號(hào)馬上停止計(jì)數(shù)器，此刻計(jì)時(shí)器對應(yīng)的時(shí)間ti就是該普通節(jié)點(diǎn)測得的超聲波收發(fā)時(shí)間差。每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)把它所測得的時(shí)間差發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)來完成定位計(jì)算。 

2 定位算法 

定位算法是在定位系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)完成的。超聲波的傳播速度為： 

  

式中，T為環(huán)境攝氏溫度。 

假定被定位物體的三維坐標(biāo)為（x,y,z）和至少有四個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)不在同一平面上，則被定位物體到傳感器節(jié)點(diǎn)的距離為： 

  

很明顯，（2）式是一組非線性超定方程，被定位物體的三維坐標(biāo)估計(jì)值可用最小二乘法求出： 

  

可以證明，只要每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對V·ti的測量誤差都滿足N（0，σ2）且相互獨(dú)立，則（3）式的結(jié)果是最大似然估計(jì)。隨著n的增加，它將是無偏估計(jì)。 

3 定位系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 

考慮到低成本和小型化的需要，本系統(tǒng)選用Nordic VLSI公司的單片無線收發(fā)模塊nRF2401構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該模塊工作在2.4～2.5GHz的ISM頻段上，典型輸出功率為0dBm，接收靈敏度為-90dB，無線傳輸距離為30～40m，這與20m左右的超聲波測距能力相當(dāng)。該模塊是收/發(fā)半雙工的，總共125個(gè)頻道，頻道可以編程設(shè)置，頻道間隔為1MHz，頻道切換時(shí)間<200μs，還可以對同頻道上工作的模塊進(jìn)行編址。該模塊支持ShockBurst工作模式，即利用片上FIFO，無線收/發(fā)的數(shù)據(jù)速率可達(dá)1Mb/s，而無線收/發(fā)模塊與MCU的數(shù)據(jù)交換速率則可以是低速的，如10kb/s。這樣做的好處是減少了無線電波發(fā)射時(shí)間、降低了能耗和空中無線電波發(fā)生沖突的機(jī)會(huì)，另外也降低了對MCU的速度要求。該模塊還支持DuoCeiver模式，通過一根天線同時(shí)接收兩個(gè)頻道的數(shù)據(jù)（第一個(gè)頻道可收可發(fā)，設(shè)為CH1；第二個(gè)頻道只收到發(fā)，且必為CH2=CH1+8MHz），并且兩路數(shù)據(jù)獨(dú)立地以三線制方式輸出。其它參數(shù)和功能可參見參考文獻(xiàn)。 

依據(jù)無線收發(fā)模塊的上述功能和參數(shù)以及定位系統(tǒng)所要達(dá)到的功能，本系統(tǒng)的無線通信用簡單的單跳直接通信（包括上行和下長），因此網(wǎng)絡(luò)層相對比較簡單；由于收發(fā)模塊的半雙工工作模式和無線電信道的競爭，本系統(tǒng)的媒體介入層（MAC）較復(fù)雜，如圖4所示。 

中心節(jié)點(diǎn)的第一頻道設(shè)置為CH1，并且半雙工可發(fā)可收，而第二頻道（必為CH2=CH1+8MHz）設(shè)置為可收，但兩個(gè)頻道平時(shí)都在收狀態(tài)。普通節(jié)點(diǎn)的第一頻道設(shè)置為CH1，并且半雙工可發(fā)可收，而第二頻道（必為CH2=CH1+8MHz）不用。普通節(jié)點(diǎn)平時(shí)處在收狀態(tài)，而在需要送時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)依據(jù)預(yù)定義的時(shí)隙（與其ID關(guān)聯(lián)）時(shí)分發(fā)送（TDMA）。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的第一頻道設(shè)置為CH1，而第二頻道必為CH2=CH1+8MHz），平時(shí)都設(shè)置為收狀態(tài)。當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位請求時(shí)，它的無線收/發(fā)模塊的第一頻道（因?yàn)橹挥械谝活l道才能發(fā)）被重配置為CH1+8MHz，與中心節(jié)點(diǎn)和其它處在收狀態(tài)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的第二頻道相對應(yīng)。這樣做的真正目的是為了不干擾中心節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)在CH1上發(fā)的由外部網(wǎng)絡(luò)策動(dòng)的定位公告，保證外部網(wǎng)絡(luò)的定位請求優(yōu)先，而不與移動(dòng)物體的定位請求競爭。定位請求發(fā)送完畢后，第一頻道恢復(fù)為CH1，此時(shí)第二頻道也恢復(fù)為CH2。很顯然，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的第二頻道為CH2時(shí)，可用于監(jiān)聽別的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位請求。 

即使這樣，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)出定位請求后仍然可能發(fā)生碰撞，而收不到相應(yīng)的定位公告。其原因有二：其一是由無線收/發(fā)模塊半雙工的工作方式造成的，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在發(fā)定位請求的同時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)正在發(fā)外部網(wǎng)絡(luò)策動(dòng)的定位公告；其二是無線電波碰撞，兩個(gè)或多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)定位請求。為有效解決這個(gè)問題，本系統(tǒng)規(guī)定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在發(fā)出定位請求后的一段時(shí)間內(nèi)收不到與其對應(yīng)的定位公告時(shí)，隨機(jī)延遲若干個(gè)定位周期，在其C上和C虎上均未監(jiān)聽到信號(hào)后，重發(fā)定位請求。隨機(jī)延遲定位周期數(shù)的取值范圍依據(jù)系統(tǒng)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量（或者最大可容納的數(shù)量）和正常情況下一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)被請求定位的頻度來確定。 

在特殊情況下，無線收/發(fā)模塊半雙工的工作方式還會(huì)造成中心節(jié)點(diǎn)在發(fā)出外部網(wǎng)絡(luò)策略的定位公告后系統(tǒng)收不到超聲波信標(biāo)，也就是中心節(jié)點(diǎn)發(fā)外部網(wǎng)絡(luò)策動(dòng)的定位公告的同時(shí)，與這個(gè)定位公告對應(yīng)的被定位物體正在發(fā)定位請求。發(fā)生這種情況的概率極低，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的處理方法同上（因?yàn)樾艠?biāo)節(jié)點(diǎn)也收不到對應(yīng)的定位公告），而中心節(jié)點(diǎn)在等不到超聲信標(biāo)后，出現(xiàn)空閑時(shí)就重發(fā)定位請求。 

4 超聲波收發(fā)時(shí)間差的修正 

為了準(zhǔn)確地測出被定位物體的精確坐標(biāo)，超聲波的收發(fā)時(shí)間差必須測得非常準(zhǔn)確。 

在普通節(jié)點(diǎn)中定時(shí)器獲得的時(shí)間差是T’7-T3。很明顯，這不是超聲波所測距離的傳播時(shí)間，真正的傳播時(shí)間應(yīng)為T’5-T’4。測出每一步的時(shí)延，然后再計(jì)算出超聲波所測距離的真正傳播時(shí)間是復(fù)雜和不現(xiàn)實(shí)的。只要讓普通節(jié)點(diǎn)的超聲波接收頭與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的超聲波發(fā)射頭零距離，運(yùn)行一次，讀取普通節(jié)點(diǎn)中定時(shí)器的值t校正，則系統(tǒng)正式運(yùn)行時(shí)，超聲波所測距離的真正傳播時(shí)間為： 

t’i=ti-t校正 （4） 

用t’I代替（2）式和（3）式中的ti，經(jīng)過計(jì)算將得到更準(zhǔn)確的被定位特體的坐標(biāo)。 

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論 

很顯然，本系統(tǒng)可以獨(dú)立存在和運(yùn)行，可以廣泛應(yīng)用于其它需要精確度定位的系統(tǒng)中。圖5顯示了一個(gè)定位目標(biāo)使用本系統(tǒng)測定位置時(shí)，測量值和實(shí)際值之間的距離差；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。影響定位精度的因素主要來源于應(yīng)用環(huán)境的溫度梯度、風(fēng)速和超聲波的LOS傳播路徑等。