基于NA5TR1的無線定位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

摘要：提出了基于對稱雙邊兩路測距(SDS-TWR)機(jī)制的無線定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案。定位節(jié)點(diǎn)采用NA5TR1為無線定位節(jié)點(diǎn)的核心器件，該器件內(nèi)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(jī)為控制器，完成無線定位節(jié)點(diǎn)的整體設(shè)計，并給出無線定位節(jié)點(diǎn)電路原理圖。節(jié)點(diǎn)通過測量不同基站間數(shù)據(jù)延遲時間差，實(shí)時計算出基站間的距離，經(jīng)上位機(jī)對距離數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位。測試結(jié)果表明，定位節(jié)點(diǎn)測距精度高，通信最遠(yuǎn)距離達(dá)600 m。
關(guān)鍵詞：無線定位；節(jié)點(diǎn)設(shè)計；NA5TR1；ATmega644v

隨著無線通信、微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動了無線定位技術(shù)的發(fā)展。目前常用的無線定位技術(shù)有GPS技術(shù)、Zibgee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、紅外技術(shù)等，根據(jù)不同領(lǐng)域?qū)Χㄎ痪鹊囊?，以上技術(shù)應(yīng)用于實(shí)時定位跟蹤、醫(yī)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(xiàn)定位精度在1 m以內(nèi)，經(jīng)過軟放大或硬件放大后，數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)800m。

1 無線定位系統(tǒng)
無線定位系統(tǒng)包括參考節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)律固定地放置在需要定位的區(qū)域，一般將參考節(jié)點(diǎn)放置在矩形區(qū)域的4個頂角位置，并按照矩形的兩條平行線進(jìn)行區(qū)域擴(kuò)展，移動節(jié)點(diǎn)放置在被定位的實(shí)體上。選擇一個參考節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及處理，從而實(shí)現(xiàn)定位的目的。由于NA5TR1具有測距的功能，上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)是不同參考節(jié)點(diǎn)到被定位實(shí)體的距離，利用合理的算法，對距離數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

2 定位節(jié)點(diǎn)的特征
定位節(jié)點(diǎn)是放置在需要定位區(qū)域的固定參考節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)具有體積小、功耗低、高精度測距的功能、并能實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。定位節(jié)點(diǎn)主要包括ATmega644v單片機(jī)、NA5TR1無線射頻芯片、電源模塊及接口模塊等組成。NA5TR1芯片實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)并具有測距功能，單片機(jī)通過SPI接口實(shí)現(xiàn)對NA5TR1的控制及數(shù)據(jù)處理和與上位機(jī)連接。由于需要定位區(qū)域的環(huán)境狀況的不確定性及定位節(jié)點(diǎn)需要長時間的工作，在設(shè)計定位節(jié)點(diǎn)時需要選擇性能穩(wěn)定、成本低、集成度高、測距精度高的芯片，NA5TR1內(nèi)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。滿足高精度定位節(jié)點(diǎn)設(shè)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線射頻芯片。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(fù)用通道Frequency Division MultiplexAccess)帶有3個非疊加頻率通道和7個疊加的頻率通道、象征性的0 dBm能量輸出、常規(guī)條件下，RF靈敏度≤-95 dBm@BER=0．001、RSSI靈敏度達(dá)到-95 dBm(僅對于匹配的尖脈沖)，適應(yīng)的溫度范圍工業(yè)級：T=-40～+85℃，帶內(nèi)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(jié)能的掉電模式，掉電模式下的最小工作電流≤2Ua，外部控制器通過軟件控制芯片的節(jié)能模式，為外部控制器提供32．768 kHz時鐘信號、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(shù)據(jù)I／O口，便于連接傳感器，在嚴(yán)實(shí)時性和緊急任務(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(shù)據(jù)分散延遲線吸收、快速尖脈沖序列接口、默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)指令集、可編程上拉電阻。信道是將一個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，用戶可以通過對芯片編程，使用80 MHz的帶寬。或者22MHz的帶寬。這樣可以與符合ISM帶寬的設(shè)備實(shí)現(xiàn)信道共享。NA5TR1的信道功能使用FDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。此技術(shù)可以將80 MHz頻帶分成幾個獨(dú)立復(fù)用的符合ISM標(biāo)準(zhǔn)的22 MHz的頻帶。這個窄帶能被設(shè)成任意的22 MHz的頻率。
NA5TR1可完成測距的功能，采用對稱雙邊兩路測距方法(SDS-TWR)。僅用兩個基站就可以實(shí)現(xiàn)測距，通過兩個基站的相互通信及應(yīng)答，4個通信過程如下：A基站的數(shù)據(jù)包發(fā)給B基站，B基站的一個應(yīng)答數(shù)據(jù)包發(fā)給A基站。B基站的數(shù)據(jù)包發(fā)給A基站，A基站的一個應(yīng)答數(shù)據(jù)包發(fā)給B基站。采用信號傳播延遲(發(fā)送和應(yīng)答)和響應(yīng)數(shù)據(jù)包的處理延遲，兩個基站間的距離就可以計算出來，如圖1所示。D=(T1-T2)／2。