基于nRF2401无线收发模块及超声波技术的精确定位系统的研制文库.docx

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基于nRF2401无线收发模块及超声波技术的精确定位系统的研制文库

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集成电路应用

基于ｎＲＦ２４０１无线收发模块和超声波技术的精确定位系统的研制

李国华，沈树群（北京邮电大学电子工程学院，北京１００８７６）

摘要：

精确的位置信息是实现普适计算的要求。

出了基于ｎＲＦ２４０１无线收发模块和超声波技提术的精确定位系统的组成框架和定位算法；并给出了基于ｎＲＦ２４０１无线收发模块组成传感器网络的

ＭＡＣ协议和超声波收发时间差的修正方案。

关键词：

超声波定位普适计算无线电收发模块媒体接入控制

随着计算机技术和无线电通信技术的发展，普适计算（ＵｂｉｑｕｉｔｏｕｓＣｏｍｐｕｔｉｎｇ）将被应用在各种领域，融入到人们的日常生活中，提高人们的生活质量和水平。

普适计算的一个前题条件是必须获取普适计算对象的位置信息［１］，这个位置信息依据普适计算的不同应用，可以是基于区域范围的，也可以是基于精确坐标的。

有很多定位技术都可以对物体进行定位，但适合普适计算要求的、多个移动物体精确定位的、子系统对电复杂性［２］低的技术却并不多。

普适计算的应用环境一般在室内，并且要求定位精度达到厘米级，定位系统必须能很方便地在空间布置。

于无线收发模块和超声波技基术的精确定位系统是一种可行的适合普适计算要求的定位系统。

本系统的特点是电子系统复杂性低，容易实现且成本低；定位精度高，容错性能好；定位信标体积小，可以附着在任何需要定位的移动或不移动物体上；除了被定位物体策动定位请求外，还允许外部网络策动定位请求和监控被定位物体。

图１定位系统的组成

超声波信标节点普通节点中心节点普通节点

收／发模块、超ＭＣＵ、声波接收头和电源等组成；而中心与节点则由无线收／发模块、ＤＳＰ、外部网络（可用于策动定位请求和监视追踪目标）的接口等几部分组成，具有极强的计算能力，用于控制定位系统中超声波发射和接收的同步。

每个普通节点的空间位置在这个定位系统构筑期间已经确定，并存储在中心节点内。

定位请求可以由外部网络通过中心节点发起，也可以由被定位物体通过其附着的超声波信标节点发起，分别如图２和图３所

１定位系统的组成

定位系统的组成如图１所示。

超声波信标节点由无线收／发模块、超与ＭＣＵ、声波发射头、被定位物体通信的接口和电源等组成；传感器节点（即普通节点）由无线

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（接上页）参考文献１陈培玉，阙沛文．ＥＰＰ并口与ＡＤＳＰ２１８１ＤＳＰ的接口设计［Ｊ］．电测与仪表，２００３；４０（１１）２张斌，姚英学，陈朔东．复合式光电编码器信号处理电路

的设计．［Ｊ］．机械工程师，２００３；（１０）仪表学报，２００３；２４（ｚ２）

３张志明，李蓉艳，王磊．等精度频率信号采集测试系统［Ｊ］．

仪器仪表学报，２００３；２３（ｚ１）

４林凯，何川，毛乐山．基于ＬａｂＶＩＥＷ的多通道振动测

试与分析系统．［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２００３；

４３（５）

（收稿日期：

２００５－０３－１４）

３侯俊勇．高速高精度频率测量系统的ＣＰＬＤ实现［Ｊ］．仪器

７８

欢迎网上投稿ｗｗｗ．ａｅｔｎｅｔ．ｃｎｗｗｗ．ａｅｔｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ

《电子技术应用》２００５年第８期　

集成电路应用

为３０～该４０ｍ，这与２０ｍ左右的超声波测距能力相当。

模块是收／发半双工的，总共１２５个频道，频道可以编程设置，频道间隔为１ＭＨｚ，频道切换时间＜２００"ｓ，还可以对同频道上工作的模块进行编址。

该模块支持ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ工作模式，即利用片上ＦＩＦＯ，无线收／发的数据速率可达

１Ｍｂ／ｓ，而无线收／发模块与ＭＣＵ的数据交换速率则可

图２外部网络发起的定位请求图

以是低速的，如１０ｋｂ／ｓ。

这样做的好处是减少了无线电波发射时间、低了能耗和空中无线电波发生冲突的机降会，另外也降低了对ＭＣＵ的速度要求。

该模块还支持

ＤｕｏＣｅｉｖｅｒ模式，通过一根天线同时接收两个频道的数据（第一个频道可收可发，设为ＣＨ１；第二个频道只收不发，且必为ＣＨ２＝ＣＨ１＋８ＭＨｚ），并且两路数据独立地以三

线制方式输出。

其它参数和功能可参见参考文献［４］。

依据无线收发模块的上述功能和参数以及定位系统

图３被定位物体发起的定位请求图

所要达到的功能，本系统的无线通信采用简单的单跳直接通信（包括上行和下行），因此网络层相对比较简单；由于收发模块的半双工工作模式和无线电信道的竞争，本系统的媒体介入层（ＭＡＣ）较复杂，如图４所示。

超ＣＨ１声定位公告／结果波信ＣＨ１＋８ＭＨｚ标节定位请求点收：

恢复ＣＨ１和ＣＨ２发：

重配置ＣＨ１

示。

定位请求的主要内容是被定位物体的ＩＤ。

无论是谁发起的定位请求，当中心节点收到定位请求时，马上以广播方式发布定位公告（内容包含被定位物体的ＩＤ和发起源标志）。

超声波信标节点收到与其所附物体相同ＩＤ的定位公告后，马上发射超声波信标；而普通节点ｉ（１＜ｉ＜ｎ）收到定位公告后，便启动计时器并接收超声波信号。

普通节点一旦接收到超声波信号，马上停止计时器，此刻计时器对应的时间ｔｉ就是该普通节点测得的超声波收发时间差。

个普通节点把它所测得的每时间差发送给中心节点，由中心节点来完成定位计算。

ＣＨ１

中心节点定位公告普通节点

ＣＨ１

时间差

２定位算法

定位算法是在定位系统的中心节点完成的。

超声波的传播速度为：

收：

ＣＨ１和ＣＨ２发：

ＣＨ１

收：

ＣＨ１发：

ＣＨ１

Ｎｅｗ＝ＣＨ１＋８ＭＨｚ

图４定位系统的ＭＡＣ

Ｖ＝３３１．４５?

１＋

!

Ｔ２７３．１５

（ｍ／ｓ）

（１）

中心节点的第一频道设置为ＣＨ１，并且半双工可发可收，而第二频道（必为ＣＨ２＝ＣＨ１＋８ＭＨｚ）设置为可收，但两个频道平时都在收状态。

通节点的第一频道设置普为ＣＨ１，并且半双工可发可收，而第二频道（必为ＣＨ２＝ＣＨ１＋８ＭＨｚ）不用。

普通节点平时处在收状态，而在需要发送时，普通节点依据预定义的时隙（与其ＩＤ关联）时分发送（ＴＤＭＡ）。

信标节点的第一频道设置为ＣＨ１，而第二频道必为ＣＨ２＝ＣＨ１＋８ＭＨｚ，平时都设置为收状态。

当信标节点发定位请求时，它的无线收／发模块的第一频道（因为只有第一频道才能发）被重配置为ＣＨ１＋８ＭＨｚ，与中心节点和其它处在收状态的信标节点的第二频道相对应。

这样做的真正目的是为了不干扰中心节点可能同时在

式中，Ｔ为环境摄氏温度。

假定被定位物体的三维坐标为（ｘ，ｙ，ｚ）和至少有四个传感器节点不在同一平面上，则被定位物体到传感器节点的距离［３］为：

Ｖ?

ｔｉ!

（ｘｉ－ｘ）２＋（ｙｉ－ｙ）２＋（ｚｉ－ｚ）２（１＜ｉ＜ｎ，且ｎ"４）（２）很明显，（２）式是一组非线性超定方程，被定位物体

的三维坐标估计值可用最小二乘法求出：

!

!

!

（ｘ，ｙ，ｚ）＝ａｒｇｍｉｎ

（ｘ，ｙ，ｚ）

$#

１ｎ

ｎｉ＝１

（Ｖｔｉ－!

（ｘｉ－ｘ）２＋（ｙｉ－ｙ）２＋（ｚｉ－ｚ）２）

２

%

（３）

可以证明，只要每个传感器节点对Ｖｔｉ的测量误差?

都满足Ｎ（０，!

２）且相互独立，则（３）式的结果是最大似然估计。

随着ｎ的增加，它将是无偏估计。

ＣＨ１上发的由外部网络策动的定位公告，保证外部网络

的定位请求优先，而不与移动物体的定位请求竞争。

定位请求发送完毕后，第一频道恢复为ＣＨ１，此时第二频道也恢复为ＣＨ２。

很显然，信标节点的第二频道为ＣＨ２时，可用于监听别的信标节点的定位请求。

即使这样，信标节点发出定位请求后仍然可能发生碰撞，而收不到相应的定位公告。

原因有二：

其一是由其

３定位系统的具体设计与实现

考虑到低成本和小型化的需要，本系统选用Ｎｏｒｄｉｃ

ＶＬＳＩ公司的单片无线收发模块ｎＲＦ２４０１［４］构成无线传感器网络。

该模块工作在２．４～２．５ＧＨｚ的ＩＳＭ频段上，典型输出功率为０ｄＢｍ，接收灵敏度为－９０ｄＢ，无线传输距离

《电子技术应用》２００５年第８期　

本刊邮箱#ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ

７９

集成电路应用

表１与测量时间差有关的事件及对应时刻

中心节点发布定位公告（Ｔ０＝０）电波到达普通节点接收天线Ｔ１普通节点的无线收发模块接收解调处理，置接收数据可读标志Ｔ２普通节点的ＭＣＵ读数据、相关作处理；启动定时器Ｔ３电波到达信标节点接收天线Ｔ′１信标节点的无线收发模块接收解调说明电波比声波快百万倍，Ｔ１≈Ｔ′０１≈相同的收发模块，处理时间和延迟时间应相同，因此Ｔ２≈Ｔ′２两者ＭＣＵ的处理流程不一样，

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!

处理，置接收数据可读标志Ｔ′２

信标节点的ＭＣＵ读数据、作判断；

!

!

启动超声波发射驱动电路Ｔ′３

超声波开始发射Ｔ′４超声波到达普通节点的超声波接收头Ｔ′５

Ｔ３≠Ｔ′３

驱动电路延迟和超声波发射头响应延迟

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普通节点的超声波接收头响应

到达的超声波信号，电路放大／

超声波接收头响应延迟、大电路延迟放和门限域值延迟

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!

比较，置定时器停止计时标志Ｔ′６

普通节点的ＭＣＵ响应停止计时标志Ｔ′７

ＭＣＵ响应延迟

无线收／发模块半双工的工作方式造成的，信标节点在发定位请求的同时，中心节点正在发外部网络策动的定位公告；其二是无线电波碰撞，两个或多个信标节点同时发定位请求。

为有效解决这个问题，本系统规定信标节点在发出定位请求后的一段时间内收不到与其对应的定位公告时，随机延迟若干个定位周期，在其ＣＨ１和ＣＨ２上均未监听到信号后，重发定位请求。

随机延迟定位周期数的取值范围依据系统的信标节点数量（或者最大可容纳的数量）和正常情况下一个信标节点被请求定位的频度来确定。

在特殊情况下，无线收／发模块半双工的工作方式还会造成中心节点在发出外部网络策动的定位公告后系统收不到超声波信标，也就是中心节点发外部网络策动的定位公告的同时，与这个定位公告对应的被定位物体正在发定位请求。

发生这种情况的概率极低，信标节点的处理方法同上（因为信标节点也收不到对应的定位公告），而中心节点在等不到超声信标后，出现空闲时就重发定位请求。

图５实际位置与测量值之间的距离差

用ｔ′代替（２）式和（３）式中的ｔｉ，经过计算将得到更ｉ准确的被定位物体的坐标。

５实验结果和结论

很显然，本系统可以独立存在和运行，可以广泛应用于其它需要精确定位的系统中。

图５显示了一个定位目标使用本系统测定位置时，测量值和实际值之间的距离差；实验结果表明本系统达到了设计目标。

影响定位精度的因素主要来源于应用环境的温度梯度、速和超声风波的ＬＯＳ传播路径等。

参考文献１付维权，孙志仁，曹奇英．普适计算中的定位感知系统［Ｊ］．

单片机与嵌入式系统应用，２００４（２）：

１５～１８

４超声波收发时间差的修正

为了准确地测出被定位物体的精确坐标，超声波的收发时间差必须测得非常准确。

１是中心节点发出定表位公告后，与测量时间差有关的事件及对应时刻。

在普通节点中定时器获得的时间差是Ｔ′Ｔ３。

很明７－显，这不是超声波所测距离的传播时间，真正的传播时间应为Ｔ′Ｔ′５－４。

测出每一步的时延，然后再计算出超声波所测距离的真正传播时间是复杂和不现实的。

要让只普通节点的超声波接收头与信标节点的超声波发射头零距离，运行一次，读取普通节点中定时器的值ｔ

校正

２杜高社，高玮，赵琳．脉冲激光测距中时间放大技术实

验研究［Ｊ］．应用光学，２００３；２４（５）：

１６～１９

３林志斌，徐柏龄．基于传声器阵列的声源定位［Ｊ］．电声技

术，２００４（５）：

１９～２３

４ＤａｔａＳｈｅｅｔｏｆｎＲＦ２４０１：

ＳｉｎｇｌｅＣｈｉｐ２．４ＧＨｚＲａｄｉｏＴａｎｓｃｅｉｖｅｒ．ｈｔｔｐ：

／／ｗｗｗ．ｎｖｌｓｉ．ｎｏ

（收稿日期：

２００５－０２－１５）

，则

系统正式运行时，超声波所测距离的真正传播时间为：

ｔ′ｉ－ｔｉ＝ｔ

校正

（４）

８０

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集成电路应用

基于ｎＲＦ２４０１无线收发模块和超声波技术的精确定位系统的研制

李国华，沈树群（北京邮电大学电子工程学院，北京１００８７６）

摘要：

精确的位置信息是实现普适计算的要求。

出了基于ｎＲＦ２４０１无线收发模块和超声波技提术的精确定位系统的组成框架和定位算法；并给出了基于ｎＲＦ２４０１无线收发模块组成传感器网络的

ＭＡＣ协议和超声波收发时间差的修正方案。

关键词：

超声波定位普适计算无线电收发模块媒体接入控制

随着计算机技术和无线电通信技术的发展，普适计算（ＵｂｉｑｕｉｔｏｕｓＣｏｍｐｕｔｉｎｇ）将被应用在各种领域，融入到人们的日常生活中，提高人们的生活质量和水平。

普适计算的一个前题条件是必须获取普适计算对象的位置信息［１］，这个位置信息依据普适计算的不同应用，可以是基于区域范围的，也可以是基于精确坐标的。

有很多定位技术都可以对物体进行定位，但适合普适计算要求的、多个移动物体精确定位的、子系统对电复杂性［２］低的技术却并不多。

普适计算的应用环境一般在室内，并且要求定位精度达到厘米级，定位系统必须能很方便地在空间布置。

于无线收发模块和超声波技基术的精确定位系统是一种可行的适合普适计算要求的定位系统。

本系统的特点是电子系统复杂性低，容易实现且成本低；定位精度高，容错性能好；定位信标体积小，可以附着在任何需要定位的移动或不移动物体上；除了被定位物体策动定位请求外，还允许外部网络策动定位请求和监控被定位物体。

图１定位系统的组成

超声波信标节点普通节点中心节点普通节点

收／发模块、超ＭＣＵ、声波接收头和电源等组成；而中心与节点则由无线收／发模块、ＤＳＰ、外部网络（可用于策动定位请求和监视追踪目标）的接口等几部分组成，具有极强的计算能力，用于控制定位系统中超声波发射和接收的同步。

每个普通节点的空间位置在这个定位系统构筑期间已经确定，并存储在中心节点内。

定位请求可以由外部网络通过中心节点发起，也可以由被定位物体通过其附着的超声波信标节点发起，分别如图２和图３所

１定位系统的组成

定位系统的组成如图１所示。

超声波信标节点由无线收／发模块、超与ＭＣＵ、声波发射头、被定位物体通信的接口和电源等组成；传感器节点（即普通节点）由无线

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（接上页）参考文献１陈培玉，阙沛文．ＥＰＰ并口与ＡＤＳＰ２１８１ＤＳＰ的接口设计［Ｊ］．电测与仪表，２００３；４０（１１）２张斌，姚英学，陈朔东．复合式光电编码器信号处理电路

的设计．［Ｊ］．机械工程师，２００３；（１０）仪表学报，２００３；２４（ｚ２）

３张志明，李蓉艳，王磊．等精度频率信号采集测试系统［Ｊ］．

仪器仪表学报，２００３；２３（ｚ１）

４林凯，何川，毛乐山．基于ＬａｂＶＩＥＷ的多通道振动测

试与分析系统．［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２００３；

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（收稿日期：

２００５－０３－１４）

３侯俊勇．高速高精度频率测量系统的ＣＰＬＤ实现［Ｊ］．仪器

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《电子技术应用》２００５年第８期　

集成电路应用

为３０～该４０ｍ，这与２０ｍ左右的超声波测距能力相当。

模块是收／发半双工的，总共１２５个频道，频道可以编程设置，频道间隔为１ＭＨｚ，频道切换时间＜２００"ｓ，还可以对同频道上工作的模块进行编址。

该模块支持ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ工作模式，即利用片上ＦＩＦＯ，无线收／发的数据速率可达

１Ｍｂ／ｓ，而无线收／发模块与ＭＣＵ的数据交换速率则可

图２外部网络发起的定位请求图

以是低速的，如１０ｋｂ／ｓ。

这样做的好处是减少了无线电波发射时间、低了能耗和空中无线电波发生冲突的机降会，另外也降低了对ＭＣＵ的速度要求。

该模块还支持

ＤｕｏＣｅｉｖｅｒ模式，通过一根天线同时接收两个频道的数据（第一个频道可收可发，设为ＣＨ１；第二个频道只收不发，且必为ＣＨ２＝ＣＨ１＋８ＭＨｚ），并且两路数据独立地以三

线制方式输出。

其它