摘要：為了適應(yīng)室內(nèi)人員追蹤定位系統(tǒng)對節(jié)點體積、供電、定位精度等的要求，提出了一種以ATmega128L單片機和NA5TR1無線收發(fā)芯片為核心的無線定位節(jié)點的硬件電路設(shè)計方案。ATmega128L單片機具有低功耗的休眠模式，能有效降低節(jié)點功耗，NA5TR1無線收發(fā)芯片采用線性調(diào)頻擴頻技術(shù)進行測距，經(jīng)實驗證明，該測距方法能有效地提高測距精度，從而提高定位的精度。

關(guān)鍵詞：無線定位； 節(jié)點設(shè)計； 線性調(diào)頻擴頻； NA5TR1； ATmega128L

中圖分類號：TN9234文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1004373X(2012)04016303

Circuit design of personnel locating nodes in highrisk production area

YE Rongrong， WANG Ruirong， WANG Jianzhong， HAN Xueyuan

(Institute of Information and Control， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China)

Abstract： In order to meet the requirements of node size， power supply， positioning accuracy of indoor personnel positioning system， a hardware circuit design scheme for wireless location node is presented， which takes microcontroller ATmega128L and wireless transceiver chip NA5TR1 as its core. ATmega128L microcontroller has a lowpower dormant mode， which can effectively reduce node power consumption. NA5TR1 wireless transceiving chip measures the distance by using CSS technology. The experiments show that the ranging method can effectively improve the ranging accuracy， thereby the positioning accuracy is enhanced.

Keywords： wireless localization; node design; chirp spread spectrum; NA5TR1; ATmega128L

收稿日期：20110917

基金項目：浙江省重大科技專項：高危生產(chǎn)區(qū)域的工作人員跟蹤與定位系統(tǒng)共建技術(shù)研發(fā)（2011R09019-01）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多新型的化工企業(yè)正向著信息化、智能化、無人化的方向發(fā)展，但在其發(fā)展過程中，傳統(tǒng)人工監(jiān)測設(shè)備的方法仍將在高危生產(chǎn)區(qū)域中占據(jù)主導(dǎo)。盡管已經(jīng)采取很多措施以提高整個生產(chǎn)過程中的安全性能，一些由設(shè)備隱患、制度缺陷、工作疏忽或個人違章行為等原因引起的安全事故仍舊威脅著現(xiàn)場工作人員的生命安全。在提高工作人員的安全意識和改進設(shè)備來避免事故發(fā)生的同時，也要在事故發(fā)生之后采取有效的措施使資源、財產(chǎn)、生命的損失降到最低，尤其是要保障高危生產(chǎn)區(qū)域工作人員的生命安全。在事故發(fā)生以后，如果能對事故現(xiàn)場遇難人員的位置進行定位，將可以大大加快搜救的速度，提高搜救的效率。目前可用來室內(nèi)定位［1］的技術(shù)主要有紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、射頻識別技術(shù)、藍牙技術(shù)、Zigbee技術(shù)等，但是這些技術(shù)在室內(nèi)定位領(lǐng)域有著各自的不足。例如，紅外和超聲波無法對移動的物體進行定位；射頻識別技術(shù)通信距離短，定位精度低；藍牙技術(shù)功耗大，傳輸距離短，穩(wěn)定性差； Zigbee技術(shù)［2］定位精度低，抗干擾能力弱等。除了這些技術(shù)外，還有最新的線性調(diào)頻擴頻技術(shù)［3］，線性調(diào)頻擴頻技術(shù)利用射頻信號到達的時間差來測量節(jié)點間的距離，進而對節(jié)點進行定位。該技術(shù)具有發(fā)射功率低、通信穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、定位精度高等特點，能很好地用于化工生產(chǎn)環(huán)境的人員定位。本文采用的無線收發(fā)芯片即為利用CSS技術(shù)的NA5TR1。

1線性調(diào)頻擴頻技術(shù)

Chirp信號［45］是瞬時頻率隨時間線性變化的正弦波信號，通過對載波頻率進行調(diào)制以增加信號的發(fā)射帶寬并在接收時實現(xiàn)脈沖壓縮，頻譜帶寬較大，具有良好的自相關(guān)性。用Chirp信號進行擴頻的通信方式被稱為線性調(diào)頻擴頻?；诰€性調(diào)頻擴頻的測距過程［6］如圖1所示。第1次測量時，節(jié)點1向節(jié)點2發(fā)送數(shù)據(jù)包并接收節(jié)點2發(fā)送的應(yīng)答，計算出從發(fā)出數(shù)據(jù)包到接收到應(yīng)答的傳播延時T1，節(jié)點2從接收到數(shù)據(jù)包開始計時，一直到節(jié)點2發(fā)送出應(yīng)答即停止計時，得到處理延時T2。第二次測量時，節(jié)點2向節(jié)點1發(fā)送含有T2的數(shù)據(jù)包并接收節(jié)點1發(fā)送的應(yīng)答，同第一次測量一樣，節(jié)點2計算出傳播延時T3，節(jié)點1計算出處理延時T4。最后，節(jié)點2再向節(jié)點1發(fā)送含有T3的數(shù)據(jù)包，節(jié)點1根據(jù)得到的4個延時數(shù)據(jù)以及信號的傳播速度通過公式（1）計算出兩節(jié)點間的距離d，其中c為射頻的傳播速度，約為光速。d=cT1－T2+T3－T44（1）圖1基于線性調(diào)頻擴頻的測距過程2室內(nèi)人員追蹤定位系統(tǒng)

基于CSS技術(shù)的室內(nèi)人員定位追蹤系統(tǒng)［7］包括參考節(jié)點、移動節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和計算機4個部分組成，如圖2所示。

圖2基于CSS技術(shù)的室內(nèi)人員追蹤定位系統(tǒng)參考節(jié)點為室內(nèi)固定的節(jié)點，移動節(jié)點根據(jù)參考節(jié)點發(fā)射的信號測量跟參考節(jié)點之間的距離，移動節(jié)點再將距離信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過USB接口將距離信息傳送到計算機上，在計算機上實現(xiàn)對移動節(jié)點的實時跟蹤定位。

3硬件設(shè)計

定位節(jié)點由兩塊電路板組成，分別是無線模塊電路板和處理器電路板，如圖3所示。其中無線模塊電路板作為處理器電路板的一部分焊接到處理器電路板上。節(jié)點包括電源模塊、無線模塊和處理器模塊3個部分，其中電源模塊和處理器模塊2部分在處理器電路板上，無線模塊在無線模塊電路板上。無線模塊負(fù)責(zé)射頻信號的接收與發(fā)送，處理器電路板負(fù)責(zé)電源的供給、控制無線模塊電路工作以及數(shù)據(jù)的通信等。無線模塊電路采用的射頻收發(fā)器為德國Nanotron公司的芯片NA5TR1，該收發(fā)器采用Nanotron獨特的線性調(diào)頻擴頻通訊技術(shù)，其片上點對點測距可達到1 m的精度，同時提供傳輸距離極佳的可靠數(shù)據(jù)通信。

圖3節(jié)點框圖3.1電源模塊

電源模塊由穩(wěn)壓模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊2個部分組成。穩(wěn)壓模塊提供單片機所需要的3.3 V電壓和射頻收發(fā)器需要的2.5 V電壓。所需的0.8~3.0 V輸入電壓由電源適配器或干電池提供。使用的3.3 V穩(wěn)壓芯片為NCP1402SN33T1單片微功率升壓直流直流轉(zhuǎn)換器，NCP1402系列穩(wěn)壓器專為通過一節(jié)或2節(jié)電池為便攜設(shè)備供電的應(yīng)用而設(shè)計，可由0.8 V的電池電壓啟動，同時需要的外部元件少，有5種標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定輸出電壓， NCP1402SN33T1輸出穩(wěn)定的3.3 V電壓，輸出電流可達200 mA。所使用的2.5 V穩(wěn)壓芯片為TI公司的TPS79425DGN低壓差線性穩(wěn)壓器。TPS794xx系列的低壓差線性穩(wěn)壓器具有高電源抑制比、超低噪聲及快速啟動等特點，該系列穩(wěn)壓器具有1.2~5.5 V可調(diào)的電壓輸出值。由于NA5TR1的I/O口電平為2.5 V，而ATmega128L的I/O口電平為3.3 V，故需要對電平進行轉(zhuǎn)換。采用的電平轉(zhuǎn)換芯片為SN74AVC4T245，可以實現(xiàn)1.2 V至3.6 V的電平轉(zhuǎn)換。

3.2無線模塊［89］

本文采用的無線收發(fā)芯片為德國Nanotron公司的NA5TR1［5］，該芯片的工作頻段為2.4 GHz的免授權(quán)頻段，提供3個可自由調(diào)整中心頻率的非重疊2.4 GHz ISM 頻道和14個重疊的頻道，提高了與現(xiàn)有2.4 GHz無線技術(shù)共存時的網(wǎng)絡(luò)性能，具有125 Kb/s~2 Mb/s的可編程數(shù)據(jù)速率，0~33 dBm可調(diào)且支持?jǐn)U展至20 dBm以上的可編程輸出功率，高達大-97 dBm的接收靈敏度，具有節(jié)能的掉電模式，掉電模式下的最小電流≤2 μA。

3.2.1時鐘晶振

NA5TR1工作時需要32.768 kHz和32 MHz兩個時鐘信號，32 MHz的時鐘作為基帶時鐘的基準(zhǔn)來產(chǎn)生線性調(diào)頻信號，32.768 kHz時鐘為實時時鐘及實現(xiàn)掉電模式下的電源管理。為了使節(jié)點有一個更高的測距精度，基帶的基準(zhǔn)時鐘必須穩(wěn)定，即32 MHz的時鐘信號必須穩(wěn)定。為了確保時鐘的穩(wěn)定，本文中的32 MHz時鐘采用了皮爾斯晶體振蕩器［10］。皮爾斯晶體振蕩器穩(wěn)定性能極好， Q值和特征阻抗都很高，低噪音，外電路中的不穩(wěn)定參數(shù)對振蕩回路影響很小，回路的標(biāo)準(zhǔn)性高。

3.2.2巴倫濾波

巴倫即平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器BALUN（Balancedunbalanced Transformer），其作用是將平衡信號轉(zhuǎn)換到不平衡信號或反之。NA5TR1的射頻收發(fā)端口經(jīng)過阻抗變換后接巴倫的平衡段，巴倫的不平衡端接帶通濾波器，帶通濾波器截止除了CSS信號帶寬以外的信號。本文中采用的帶通濾波器下限截止頻率為2.4 GHz，上限截止頻率為2.5 GHz。

3.3處理器模塊［11］

處理器的型號選擇關(guān)系到定位節(jié)點的工作性能。本文采用的處理器型號是單片機ATmega128L。該款單片機是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8 b低功耗CMOS微處理器，自帶128 KB的可編程FLASH，在本應(yīng)用中無需外擴存儲器；同時，該單片機擁有空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的Standby 模式6種睡眠模式，能有效地降低節(jié)點的功耗。處理器模塊中有一個RS 232接口，一個JTAG接口，一個SPI接口以及一些預(yù)留的數(shù)字接口。單片機通過SPI接口實現(xiàn)對NA5TR1的初始化以及控制；RS 232接口實現(xiàn)節(jié)點同上位機之間的通信；JTAG接口實現(xiàn)對單片機程序的燒寫。

4節(jié)點實現(xiàn)

圖4是節(jié)點的實物圖，其中(a)是無線模塊電路的實物圖，該電路板為4層板；(b)是處理器電路板的實物圖，處理器電路板為2層板。無線模塊電路的第1層為信號層，第2層為接地層，第3層為電源層，第4層為信號層，以使得到更高質(zhì)量的射頻信號；另外，為了使節(jié)點方便移動人員的攜帶，無線模塊電路上的元件都采用貼片封裝，如電容電阻等均采用0402封裝來減小節(jié)點體積。

5結(jié)語

針對目前化工行業(yè)的發(fā)展趨勢和室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種利用線性調(diào)頻擴頻技術(shù)進行測距的定位節(jié)點，該節(jié)點功耗低、測距精度高，其優(yōu)越的傳輸距離以及抗干擾能力讓他能有效地應(yīng)用于室內(nèi)的人員追蹤定位。同時，該節(jié)點除了用于定位也能用于其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用的領(lǐng)域，必將對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到積極作用。

圖4節(jié)點實物圖參考文獻

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