CSS定位技术应用综述

CSS定位技术应用综述1．基于CSS技术的室内定位通信系统该系统设计了基于CSS扩频信号的室内定位通信系统，在利用CSS扩频信号实现数据通信的基础上，使用双边双向测距算法SDS-TWR（SymmetricDoubleSidedTwo-WayRanging）测量端点间的距离，计算出标签点位置信息，并针对多标签点同时定位情况下产生的冲突问题，设计了一套多标签点情况下的系统管理算法，对系统进行有效管理。1.1系统模型本文是基于多标签节点情况下的定位方案，其系统的结构如图1所示。系统的组成包括4个固定锚节点（Anchor1、Anchor2、Anchor3和Anchor4）、多个移动标签点（Tag1、Tag2及Tag3等）和定位服务器。4个锚节点固定在定位服务区域的4个固定坐标点上，定位区域内的移动标签点处于对等关系，可以进行定位及相互间的数据通信。图1定位系统结构框图系统工作时，当有标签节点需要定位时，系统标签点依次向各个固定锚节点发出测距信号，固定锚节点收到测距信号后，根据SDS-TWR算法产生相应的应答信号，与移动标签点完成测距。移动标签点分别与4个固定锚节点完成测距后，将距离信息通过USB接口送入与其连接的定位服务器。由于各固定锚节点的坐标已知，定位服务器可以通过LLOP算法计算出移动标签的坐标，并进行显示。1.2硬件设计本系统选用nanoPAN5375射频收发模来完成基本的CSS通信功能。nanoPAN5375射频收发模块由德国nanotron公司生产，采用CSS扩频技术，扩频带宽达到80MHz，工作在2.4GHzISM频段，最高数据传输速率高达2Mb/s。此外，其内部包含高精度的实时时钟和定时器，利于SDS-TWR测距算法的实现。nanoPAN5375射频收发模内部完成了对射频信号的产生与处理，只需要通过SPI接口对其内部寄存器进行操作。系统的硬件结构可以分为标签节点和锚节点两部分。1.2.1锚节点硬件设计锚节点的硬件主要基于Atmega1288bit单片机和nanoPAN5375射频收发模块。Atmega128属于AVR系列，具有低功耗、操作简单等特点，并且自带完整的SPI接口控制器，可以作为主机和从设备使用，能够胜任锚节点中对nanoPAN5375射频模块的控制及数据收发工作。nanoPAN5375射频模块的ANT脚通过一条阻抗为50Ω的微带线与2.4GHz天线连接，微带线的阻抗误差会对发射信号的功率产生影响。锚节点硬件结构框图如图2所示。图2锚节点硬件设计1.2.2标签节点硬件设计在多标签点的定位及标签点间进行数据通信时，锚节点的硬件结构有很大的局限性。Atmega128的处理速度较慢，在运行大型程序时延时较大，RS232接口的传输速率有限，无法满足nanoPAN5375模块最高数据传输速率为2Mb/s的要求。因此在标签点的设计上选用了高性能的STM32F10332bit处理器，其主频最高可达72MHz，自带完整的SPI接口控制器，并且自带USB接口，完全符合本系统对接口控制与数据传输速率的要求，其结构框图如图3所示。与锚节点相比，标签节点具有更高的性能，在RS232接口的基础上增加了USB接口，使系统具有更强的通用性，为后续开发留下了空间。对标签点和锚节点的硬件进行单独的设计可以降低在大规模部署情况下的成本。图3标签节点硬件设计1.3软件设计系统软件分为标签点/锚节点软件和定位服务器软件两部分。标签/锚节点软件完成SPI接口驱动、测距算法、测距结果返回和系统管理算法；定位服务器软件完成与标签点的接口驱动、数据处理计算和用户界面。1.4总结本系统利用CSS扩频信号抗干扰、抗多径能力强的特点，利用SDS-TWR测距算法，设计并实现了一个室内定位通信系统，并设计了一套系统管理算法实现了对系统的管理，该系统在室外和室内都可以获得较高的定位精度。该系统结构简单，具有很强的通用性，可以作为单独的定位通信系统或者作为一个功能部件嵌入到其他系统中，具有较广的应用前景。2．基于CSS技术的移动目标追踪定位技术介绍了一种基于线性调频技术的nanoLOC定位芯片，利用该芯片进行测距定位实验，对多次测量数据进行拟合，将拟合后的方程系数求平均得到最终的拟合方程；并将测量值代入该方程，求得拟合后的距离值，采用拟合后的距离值进行最小二乘法定位，结合粒子滤波器滤波进行最终定位，描绘出移动标签节点的运动轨迹。2.1nanoLOC开发板介绍nanoLOC开发板采用CSS(ChirpSpreadSpectrum)作为调制方式，在正常模式下采用对称双边双路（SDS-TWR）测距方式，具有较高的测距精度。开发板主要包括以下几部分：（1）nanoLOCEVR调制模块：包括nanoLOCTRX传送模块及外围电路部分。它提供发送和接收的基本射频模块，还有一些基本的数字操作模块，在天线连接器端有一个ISM带通滤波器，用来对信号干扰进行滤波。（2）Atmega128L微控制器：基于AVR增强型RISC架构，包括128Kb的缓存及4KbSRAM，是一款低功率CMOS8位微控制器，微控制器通过SPI串口来驱动nanoLOCTRX传输器。（3）接口及连接器：Atmega128L微控制器提供6个I/O口，分别为PORTA、PORTB、PORTC、PORTD、PORTE、PORTF，这些接口的引脚直接连在微控制器的各个接口上。（4）两个振荡器：32.768kHz晶振产生32.768kHz频率，作为时钟或者计数器；7.3728MHz晶振为外部振荡器。（5）DC-DC转换器：当提供3V或者更低的能量时，DC-DC用来向Atmega128L微控制器和nanoLOCRF射频模块提供一个恒定的3.3V电源输出。（6）光传感器：光到数字转换。（7）显示器件：8个用户可编程的红橙金LED，阳极通过680Ω的电阻连接到PORTC口，阴极接地。TX/RXLED用来显示传输或者接收的工作状态；电源LED显示电源的工作状态。（8）开关器件：nanoLOCAtmega128L板提供3个用户可编程按键用来将一些I/O口接地及开关重置。重启键用来重启微控制器；电源开关控制电源；供电插口使用一个2.1mm筒形插口提供一个最大3V的供电。图4nanoLOC开发板框图2.2定位实验定位步骤主要包括3个部分：一是对移动目标相对于每个固定节点的测量距离值进行拟合，拟合得到的距离值将在定位中使用；二是采用拟合后的距离值进行最小二乘法定位，得到初步的定位位置；三是结合上一步中的初步定位位置采用粒子滤波器进一步滤波得到最终的定位位置。在同一个实验环境下，将固定标签分别放置在实验室中间4.2m×4.2m大小区域的4个拐角上，移动节点在该定位区域的中间进行有规律的移动，移动目标的平均速率为0.3m/s，其移动轨迹如图5所示。通过MATLAB对实验数据进行分析，描绘出在每个定位时刻的定位坐标，如图5所示。可以看到，采用粒子滤波器滤波之后的运动轨迹较为平滑，和移动目标的实际运动轨迹也更为接近。图5移动目标实际轨迹及定位轨迹图2.3总结本系统采用nanoLOC定位开发套件进行室内测距定位实验。在对原测距值进行多项式拟合的基础上进行最小二乘法定位，并采用粒子滤波器进行滤波处理，通过实验数据可以看到本方法定位精度可达到厘米级。3．CSS技术在无线测距系统中的应用针对当前流行的短距离无线通信做了研究比较，利用Nanotron技术搭建一套无线测距系统。系统采用了以射频收发器NanoLOCTRX为核心，ATmega664V为微控制器的NanoLOCAVR模块，以WinAVR为基本的软件开发平台。在程序调试过程中，根据实际需要将数据传输模式设置为Auto-Simplex模式。通过大量的实验证明，该系统在250m的传输距离上把误差缩小到4m以内，测量精度较高，系统较稳定，实现了一种新的无线测距方法。3.1系统硬件设计系统采用了Nanotron公司的NanoLOCAVR模块，该模块物理尺寸只有35mm×14mm，厚度不足3mm，但它基于Nanotron技术的创新产品NanoLOCTRX接收器，集成了其他所有必需的组件，构成一个完整的射频模块。该模块的核心部件包括NA5TR1(NanoLOC)芯片、Atmel8位单片机ATmega644V、带通滤波器、阻抗匹配单元，以及一个2.4GHz的陶瓷天线。该模块已经通过欧洲(R&TTE)、日本(ARIBT66)和美国(FCC)的认证。此外模块还集成了三种不同频率的石英晶振，32.768kHz晶振用于产生实时时钟信号，16MHz晶振保证ATmega微控制器的正常运行，而32MHz晶振用于NanoLOC片内集成振荡电路的工作。NanoLOC模块框图如图6所示。图6NanoLOCAVR模块框图3.2系统测试天气良好的情况下，在无障碍物的操场，对系统进行了测试。将测距节点放置在已知其间距的不同位置上，分别测量20次，取平均值得到表1中的平均测量距离值。将平均测量数据值和实际距离的比对可以发现这样的结论：(1)测量的数值比实际的数值要偏大；(2)在测距范围250m内，需要测量的实际距离越大，由系统所测距离值就越接近实际距离值，测量值的误差就越小。表1测试数据实际距离/m平均测量距离/m误差/%1012.2422.45052.364.72150153.552.37250253.451.383.3总结利用Nanotron技术构建的无线测距平台可以在250m的传输距离上将误差缩小在4m以内。测距误差缩小就能保证无线定位中获得更高的精度。系统测试表明，在无线测距领域，Nanotron技术有着绝对的优势，能够实现较高精度的测距。NanoLOCRTX已经进入了多个行业领域的研究视线，尤其是物流管控(RTLS实时物流供应/有源RFID)、工业监测和控制，医疗和安全网络。相信该技术的发展会给无线测距定位领域带来新的变革。4．基于CSS技术的井下精确定位系统针对现有井下定位系统大多只能提供区域性定位功能，无法为人员或设备提供精准、实时的位置信息的问题，提出了基于CSS技术的井下精确定位系统设计方案。该系统利用SDS-TWR定位算法和定位管理协议，在得到高定位精度的同时，不需要进行系统的时钟同步，增强了系统的可实现性和稳定性。井下测试结果表明，该系统可实现井下设备和人员的高精度定位，定位精度达到3m以内，最远传输距离达到350m。4.1系统架构为了验证基于CSS技术的定位方法的可行性与实际的定位精度，设计了基于CSS技术的井下精确定位系统。该系统主要由移动定位终端、无线定位基站、监测分站以及地面定位服务器和一些通用的接口转换设备等组成，总体结构如图7所示。图7基于CSS技术的井下精确定位系统结构移动定位终端和无线定位基站都内嵌了基于IEEE802.15.4a标准的CSS射频收发器，采用了SDS-TWR的定位算法。在在硬件上，移动定位终端和无线定位基站都采用意法半导体的STM32系列CM3内核微处理器作为控制核心。无线定位基站具有按键、显示等辅助功能，配备高速以太网、RS485总线、CAN总线等通信接口。移动定位终端可以利用固定电池供电，间歇性地执行定位功能，降低终端整体功耗。4.2系统工作流程移动定位终端可以由井下人员携带或安装在需要精确定位的设备上。由定位终端发起定位数包，经过与无线定位基站的2次定位数据包交互后移动定位终端对定位的数据包和空中传输时间进行处理，计算出与无线定位基站的距离，并把距离数据和一些传感控制信息组成数据包通过无线信道发送给无线定位基站。无线定位基站配备RS485总线、CAN总线等总线数据接口，定位数据通过相应的总线传输给监测分站，在系统中主要起到定位参考点和定位数据传输的作用。监测分站通过无线定位基站对移动定位终端发出的距离数据进行接收处理，可检测出井下人员或设备等动目标的精确位置和一些传感控制信息，并通过高速以太网接口上传到地面定位服务器，是整个系统的数据传输中枢。地面定位服务器可以实现井下和地面的整个网络信息的监控，实时显示各个巷道和工作面人员及移动设备的数量、分布状况、活动轨迹；可以查询