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·t_i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t_i，經(jīng)過(guò)計(jì)算將得到更準(zhǔn)確的被定位物體的坐標(biāo),。