《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于nRF2401無(wú)線收發(fā)模塊和超聲波技術(shù)的精確定位系統(tǒng)的研制

2008-08-22
作者:李國(guó)華,, 沈樹(shù)群

  摘 要: 精確的位置信息是實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算" title="普適計(jì)算">普適計(jì)算的要求,。提出了基于nRF2401無(wú)線收發(fā)模塊" title="無(wú)線收發(fā)模塊">無(wú)線收發(fā)模塊和超聲波技術(shù)的精確定位系統(tǒng)" title="定位系統(tǒng)">定位系統(tǒng)的組成框架和定位算法;并給出了基于nRF2401無(wú)線收發(fā)模塊組成傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議和超聲波收發(fā)時(shí)間差的修正方案,。
  關(guān)鍵詞: 超聲波定位 普適計(jì)算 無(wú)線電收發(fā)模塊 媒體接入控制


  隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)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(duì)象的位置信息[1],,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(duì)物體進(jìn)行定位,,但適合普適計(jì)算要求的,、對(duì)多個(gè)移動(dòng)物體精確定位的、電子系統(tǒng)復(fù)雜性[2]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(wú)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(qǐng)求外,,還允許外部網(wǎng)絡(luò)策動(dòng)定位請(qǐng)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(wú)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)" title="普通節(jié)點(diǎn)">普通節(jié)點(diǎn))由無(wú)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(wú)線收/發(fā)模塊,、DSP、與外部網(wǎng)絡(luò)(可用于策動(dòng)定位請(qǐng)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(qǐng)求可以由外部網(wǎng)絡(luò)通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)發(fā)起,也可以由被定位物體通過(guò)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(qǐng)求的主要內(nèi)容是被定位物體的ID。


  無(wú)論是誰(shuí)發(fā)起的定位請(qǐng)求,當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)收到定位請(qǐng)求時(shí),,馬上以廣播方式發(fā)布定位公告(內(nèi)容包含被定位物體的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)時(shí)器,,此刻計(jì)時(shí)器對(duì)應(yīng)的時(shí)間ti就是該普通節(jié)點(diǎn)測(cè)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(cè)得的時(shí)間差發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn),,由中心節(jié)點(diǎn)來(lái)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[3]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(duì)V·ti的測(cè)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(wú)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(wú)線收發(fā)模塊nRF2401[4]構(gòu)成無(wú)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(wú)線傳輸距離為30~40m,,這與20m左右的超聲波測(cè)距能力相當(dāng)。該模塊是收/發(fā)半雙工" title="半雙工">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(duì)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(wú)線收/發(fā)的數(shù)據(jù)速率可達(dá)1Mb/s,,而無(wú)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(wú)線電波發(fā)射時(shí)間,、降低了能耗和空中無(wú)線電波發(fā)生沖突的機(jī)會(huì),另外也降低了對(duì)MCU的速度要求,。該模塊還支持DuoCeiver模式,通過(guò)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)頻道只收不發(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(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]
  依據(jù)無(wú)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(wú)線通信采用簡(jiǎn)單的單跳直接通信(包括上行和下行),,因此網(wǎng)絡(luò)層相對(duì)比較簡(jiǎn)單;由于收發(fā)模塊的半雙工工作模式和無(wú)線電信道的競(jìng)爭(zhēng),,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),,而在需要發(fā)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)發(fā)定位請(qǐng)求時(shí),,它的無(wú)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(duì)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(qǐng)求優(yōu)先,而不與移動(dòng)物體的定位請(qǐng)求競(jìng)爭(zhēng),。定位請(qǐng)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(tīng)別的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位請(qǐng)求。
  即使這樣,,信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)出定位請(qǐng)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(wú)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(qǐng)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(wú)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(qǐng)求,。為有效解決這個(gè)問(wèn)題,本系統(tǒng)規(guī)定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在發(fā)出定位請(qǐng)求后的一段時(shí)間內(nèi)收不到與其對(duì)應(yīng)的定位公告時(shí),,隨機(jī)延遲若干個(gè)定位周期,,在其CH1和CH2上均未監(jiān)聽(tīng)到信號(hào)后,重發(fā)定位請(qǐng)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(qǐng)求定位的頻度來(lái)確定,。
  在特殊情況下,無(wú)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)策動(dòng)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(duì)應(yīng)的被定位物體正在發(fā)定位請(qǐng)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(duì)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(qǐng)求,。
4 超聲波收發(fā)時(shí)間差的修正
  為了準(zhǔn)確地測(cè)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(cè)得非常準(zhǔn)確。表1是中心節(jié)點(diǎn)發(fā)出定位公告后,,與測(cè)量時(shí)間差有關(guān)的事件及對(duì)應(yīng)時(shí)刻,。


  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(cè)距離的傳播時(shí)間,,真正的傳播時(shí)間應(yīng)為T(mén)′5-T′4。測(cè)出每一步的時(shí)延,,然后再計(jì)算出超聲波所測(cè)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(cè)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(guò)計(jì)算將得到更準(zhǔn)確的被定位物體的坐標(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(cè)定位置時(shí),,測(cè)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(lái)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,。

參考文獻(xiàn)
1 付維權(quán),孫志仁,,曹奇英. 普適計(jì)算中的定位感知系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2004(2):15~18
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4 Data Sheet of nRF2401:Single Chip 2.4GHz Radio Tansceiver. http://www.nvlsi.no

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