李飛，高瑜翔，焦啟源，李曉輝

（成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院，四川成都610225）

基于AT86RF233的室內(nèi)定位系統(tǒng)

李飛，高瑜翔，焦啟源，李曉輝

（成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院，四川成都610225）

為了解決室內(nèi)定位不準(zhǔn)確、成本高、安裝不方便等問題，提出了一種基于AT86RF233相位差測(cè)距的二維定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位機(jī)、網(wǎng)關(guān)、基站、協(xié)調(diào)器、終端五部分組成，通過測(cè)量4個(gè)基站到終端的距離實(shí)現(xiàn)定位。由C#編寫的上位機(jī)軟件控制定位的啟動(dòng)和停止，執(zhí)行定位算法和在一個(gè)圖形界面上實(shí)時(shí)顯示終端的所處位置。實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)具有部署簡單、低成本、定位精度較好等優(yōu)點(diǎn)。

無線通信；室內(nèi)定位；相位差測(cè)距；支持自組網(wǎng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的日趨發(fā)展，室外定位的技術(shù)成熟和人們對(duì)高質(zhì)量生活的不斷需求，越來越多的人投入到對(duì)室內(nèi)定位的研究?，F(xiàn)在的室內(nèi)定位技術(shù)主要有:超寬帶、超聲波、紅外線、RFID，Zigbee等［1］。這些定位技術(shù)各有缺點(diǎn)：超寬帶定位需要基站的精準(zhǔn)時(shí)間同步，超聲波定位為滿足精度需大量底層硬件設(shè)施成本較高，紅外線定位直線視距和傳輸距離較短，RFID定位結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要在現(xiàn)場(chǎng)布置大量參考標(biāo)簽，而基于信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的Zigbee定位穩(wěn)定性和精度都比較低。因此一種低成本，高精度，部署方便的室內(nèi)定位系統(tǒng)就將具有很大的意義。由于采用GPS載波相位差分技術(shù)的室外定位甚至可以在動(dòng)態(tài)定位中達(dá)到厘米級(jí)的精度［2］，所以本文的定位系統(tǒng)考慮通過測(cè)量無線信號(hào)發(fā)送和接收時(shí)刻相位差值計(jì)算出距離從實(shí)現(xiàn)定位。由ATEML公司設(shè)計(jì)的無線芯片AT86RF233具有支持相位差測(cè)距功能配合其官網(wǎng)相位差分測(cè)距應(yīng)用能夠容易實(shí)現(xiàn)基站對(duì)終端的距離測(cè)量，其還有價(jià)格低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，所以為本系統(tǒng)首選無線芯片。

1　相位差測(cè)距的實(shí)現(xiàn)

如果能夠測(cè)量出基站在i時(shí)刻發(fā)送的載波信號(hào)相位θi與定位終端在j時(shí)刻接收到的該信號(hào)相位θj的差值θj-θi和此過程中相位經(jīng)歷的整周相位數(shù)N，則有公式：

公式中d為基站與終端的距離，λ為電磁波在空氣中的傳播速度。但是在單個(gè)基站和單個(gè)終端的通信中，如何測(cè)量或消除初始相位θj和整周相位N是一個(gè)算法難點(diǎn)，本文中不論述該算法的原理。本系統(tǒng)是基于ATMEL公司相位差分測(cè)距應(yīng)用的二次開發(fā)。由ATMEL公司設(shè)計(jì)的2.4G收發(fā)一體的無線芯片AT86RF233支持相位差分測(cè)距功能。AT86RF233內(nèi)部PHY_PMU_VALUE寄存器值為捕獲到的載波信號(hào)相位與本地再現(xiàn)參考信號(hào)相位差值，配合對(duì)ATMEL官網(wǎng)上提供RTB（Rang tool box）軟件包里的相位差分測(cè)距LIB移植可實(shí)現(xiàn)單個(gè)基站與終端間的距離測(cè)定。

2　定位算法

本系統(tǒng)采用4個(gè)基站，其坐標(biāo)分別為S1（x1，y1），S2（x2，y2），S3（x3，y3），S4（x4，y4）；d為移動(dòng)終端P（x，y）到4個(gè)基站的測(cè)量距離，可構(gòu)建如下方程：

將（3），（4），（5）分別減（2）可得方程（6），（7），（8）：

對(duì)方程（6），（7），（8）采用最小二乘法求解［3］可得定位終端的坐標(biāo)為：

3　系統(tǒng)組成

本文的定位系統(tǒng)如圖1，由上位機(jī)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、基站節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和定位終端節(jié)點(diǎn)五部分構(gòu)成?；緦?shí)現(xiàn)對(duì)定位終端的距離測(cè)定。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)基站和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。上位機(jī)負(fù)責(zé)定位的啟動(dòng)和終止定位算法的實(shí)現(xiàn)、定位結(jié)果的圖形顯示。協(xié)調(diào)器的功能等同于中繼，在遠(yuǎn)距離測(cè)距中作為基站和中繼的橋梁。

圖1　系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

4　硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)小體積應(yīng)用，本系統(tǒng)主機(jī)或基站等節(jié)點(diǎn)僅由單片機(jī)最小系統(tǒng)、E2PROM模塊和無線模塊三部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2　基站節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成

其中MCU采用ATXMEGA256A3［4-5］單片機(jī)作為控制芯片，其工作電壓為1.6～3.6 V，含有8事件通道系統(tǒng)。該功能可靈活實(shí)現(xiàn)多類外部事件觸發(fā)到多類內(nèi)部事件的硬件執(zhí)行，在應(yīng)用中提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

存儲(chǔ)模塊芯片采用AT24C512C，其功能主要是對(duì)系統(tǒng)的配置參數(shù)（如：本機(jī)地址，信道頻率，發(fā)射功率等）進(jìn)行存儲(chǔ)，避免掉電后，繁瑣的重配置工作。

無線模塊芯片采用AT86RF233，其不僅支持相位差分測(cè)距還硬件支持IEEE802.15.4協(xié)議如自動(dòng)應(yīng)答、協(xié)議過濾等；AT86RF233接收靈敏度為-101DBM，工作環(huán)境為-45～80度，并具有超低功耗，在深度睡眠下可低至20 na，最大功率發(fā)射下也才13.8 ma。

為減小多徑干擾的影響，AT86RF233天線分集功能支持通過對(duì)兩根天線的控制來選擇有效信號(hào)傳輸路徑，在DIG1、DIG2管腳會(huì)輸出一對(duì)差分信號(hào)用于控制天線。本系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用了一對(duì)天線，兩跟天線方向正交，通過外接射頻開關(guān)控制天線的選通。

5　軟件設(shè)計(jì)

5.1軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)通信協(xié)議滿足IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可方便以后將本系統(tǒng)擴(kuò)展為基于此協(xié)議的Zigbee、6Lowpan等自組網(wǎng)定位系統(tǒng)。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示：應(yīng)用層向底層提出或是完成測(cè)距、定位等各類應(yīng)用。MAC完成IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)指定功能包括協(xié)議格式幀數(shù)據(jù)的解析和封裝等等。內(nèi)存和隊(duì)列管里單元管理各層對(duì)內(nèi)存空間的申請(qǐng)使用和各類事件［6］。PHY層實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4規(guī)定電氣信號(hào)的物理連接等。

圖3　軟件框架

5.2定位協(xié)議

本系統(tǒng)采用自定位協(xié)議控制定位過程實(shí)現(xiàn)，在通信中本協(xié)議內(nèi)容屬于IEEE802.15.4規(guī)定MPDU［7］（協(xié)議數(shù)據(jù)單元的）的MSDU（服務(wù)數(shù)據(jù)單元）。每個(gè)指令的協(xié)議內(nèi)容為：首先是3字節(jié)協(xié)議ID（由LCT3個(gè)字符表示），然后是1字節(jié)指令I(lǐng)D，根據(jù)指令I(lǐng)D后面可添加定位模式、移動(dòng)終端地址等字節(jié)單元，最后是1字節(jié)序列號(hào)和2字節(jié)CRC校驗(yàn)。其中0x11表示手動(dòng)定位模式，0x12表示自動(dòng)定位模式其后面不需要接終端地址。0x22表測(cè)距成功，0x21表示測(cè)距失敗其后面不需要添加距離數(shù)據(jù)。在自動(dòng)定位模式時(shí)網(wǎng)關(guān)會(huì)在不同時(shí)刻向某一基站發(fā)送相同的指令，由于各類原因很可能造成后一時(shí)刻終端返回?cái)?shù)據(jù)是對(duì)前一刻基站指令的響應(yīng)，讓基站產(chǎn)生誤判造成數(shù)據(jù)時(shí)間錯(cuò)位。本設(shè)計(jì)中采用序列號(hào)對(duì)比：基站發(fā)送含序列號(hào)的指令，每次發(fā)送時(shí)序列號(hào)改變，終端返回帶序列號(hào)的數(shù)據(jù)，當(dāng)雙方的序列號(hào)一致時(shí)基站判斷數(shù)據(jù)有效。協(xié)議格式如表1所示。

5.3通信防碰撞處理

由于室內(nèi)面積較小，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)也可能同時(shí)收到它們的信息，通信碰撞不容忽略。本系統(tǒng)從3個(gè)方向進(jìn)行了防碰撞處理。

5.3.1CSMA-CA算法的執(zhí)行

IEEE802.15.4規(guī)定的MAC通信防碰撞處理機(jī)制在本系統(tǒng)中由AT86RF233芯片硬件自動(dòng)完成［8］。其中心思想為：每次發(fā)送數(shù)據(jù)前對(duì)當(dāng)前信道進(jìn)行評(píng)估，如果當(dāng)前信道空閑則發(fā)送，否則隨機(jī)延遲一段時(shí)間后再次對(duì)當(dāng)前信道評(píng)估；然后重復(fù)執(zhí)行上述步驟直到重復(fù)執(zhí)行次數(shù)達(dá)到設(shè)定的最大值（AT86RF233相關(guān)寄存器可設(shè)，最大次數(shù)＜7）后，則不管當(dāng)前信道如何都發(fā)送數(shù)據(jù)。

表1　自定義定位協(xié)議格式

5.3.2協(xié)議類型過濾

AT86RF233有對(duì)IEEE802.15.4協(xié)議硬件過濾功能。其原理為對(duì)接收到的MAC幀頭數(shù)據(jù)解析：根據(jù)FCF字節(jié)檢查協(xié)議類型和版本號(hào)，然后將地址域里的終端地址及PAN ID等與本機(jī)匹配；當(dāng)以上條件都滿足時(shí)該幀數(shù)據(jù)通過，否則丟棄，以上功能由芯片硬件自動(dòng)完成。

5.3.3軟件設(shè)計(jì)防碰撞處理

在程序中，也對(duì)防碰撞做了處理：程序設(shè)計(jì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)源地址進(jìn)行判斷，只有該地址為程序邏輯需求地址時(shí)數(shù)據(jù)才有效。

5.4網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)初始化工作完成后，就開始監(jiān)聽上位機(jī)發(fā)送串口數(shù)據(jù)。收到停止命令時(shí)停止定位；收到啟動(dòng)定位指令時(shí)，網(wǎng)關(guān)就向第一個(gè)基站發(fā)送測(cè)距指令并將測(cè)得距離數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)，接著向第二個(gè)基站測(cè)送測(cè)距指令，并依次循環(huán)。工作流程如圖4所示。

圖4　網(wǎng)關(guān)工作流程

5.5基站軟件設(shè)計(jì)

基站初始化后，AT86RF233就進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)；當(dāng)收到網(wǎng)關(guān)測(cè)距指令后就執(zhí)行對(duì)終端的距離測(cè)量。測(cè)距流程如圖5所示。

5.6上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)通過串口向網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制指令，負(fù)責(zé)定位的啟動(dòng)和終止，并通過串口搜集來自網(wǎng)關(guān)的測(cè)距數(shù)據(jù)執(zhí)行定位算法和圖形顯示定位目標(biāo)的位置，軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

6　測(cè)試結(jié)果與分析

6.1動(dòng)態(tài)定位測(cè)試

在發(fā)射功率為0 dbm，室內(nèi)面積大小位為8 m*8 m的環(huán)境下，手持移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)走一個(gè)圈，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

可以看出界面顯示了一個(gè)較為平滑的閉合圖形；說明本系統(tǒng)在較小的室內(nèi)面積下，有較好的動(dòng)態(tài)定位效果。

圖5　基站工作流程

圖6　上位機(jī)工作流程

圖7　動(dòng)態(tài)定位測(cè)試效果

6.2定位精準(zhǔn)度測(cè)試

在發(fā)射功率為0 dbm不使用中繼的情況下，測(cè)得單個(gè)基站的通信半徑為40 m所以估算出此情形下系統(tǒng)的無盲點(diǎn)定位面積為28 m*28 m。在該面積內(nèi)實(shí)施定位測(cè)量，結(jié)果如表2所示。

表2　定位測(cè)試數(shù)據(jù)

由上表可以看出在良好環(huán)境中遠(yuǎn)距離定位誤差大于近距離定位誤差，這反應(yīng)了信號(hào)強(qiáng)弱對(duì)定位精度的影響；而當(dāng)處于狹小空間復(fù)雜環(huán)境內(nèi)定位誤差隨空間大小變化不明顯，此時(shí)影響定位精度的主要因素應(yīng)是內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜度。

7　結(jié)論

本文提出的室內(nèi)定位系統(tǒng)方案僅由幾個(gè)節(jié)點(diǎn)就可完成，節(jié)點(diǎn)體積小現(xiàn)場(chǎng)布置容易，系統(tǒng)定位精度較好，在一些對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合可以實(shí)現(xiàn)低成本應(yīng)用。且本系統(tǒng)通信協(xié)議滿足IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，軟件采用分層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)不僅可以用于定位，也可用于個(gè)人無線局域網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。

［1］汪苑，林錦國.幾種常用室內(nèi)定位技術(shù)的探討［J］.中國儀器儀表，2011（2）:54-57.

［2］王廣運(yùn).載波相位差分GPS定位技術(shù)［J］.測(cè)繪工程，1999，8（1）:12-18.

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［4］蔣金元.基于多機(jī)通信的AVR單片機(jī)高級(jí)用戶板的設(shè)計(jì)與開發(fā)［D］.華東師范大學(xué)，2005.

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［8］Ateml公司.AT86RF233技術(shù)手冊(cè)［EB/OL］.［2014-07］.http:// www.atmel.com/Images/Atmel-8351-MCU_Wireless-AT86 RF233_Datasheet.pdf.

Indoor position location system based on AT86RF233

LI Fei，GAO Yu-xiang，JIAO Qi-yuan，LI Xiao-hui
（Communication Engineering Institute，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

To solve problems like inaccuracy，high-cost and inconvenience of installing in indoor position system，a twodimensional indoor position system based on AT86RF233 of phase difference measurement is designed.The system consists of five parts:upper computer，gateway，base station，coordinator and terminal and it can realize the positioning by measuring the distance between four base station and terminal.The upper computer software compiled by C#controls starts and stops of location，executes position algorithm and displays real-time location of the terminal on GUI.The test shows that the system has the advantages of simple deployment，low cost and good positional accuracy.

wireless communication；indoor position location；phase difference ranging；support ad hoc networks

TN98

A

1674－6236（2016）12-0108-03

2015-07-07稿件編號(hào)：201507060

李飛（1983—），男，四川綿陽人，碩士研究生。研究方向：無線通信及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。