基于CSS技术的室内定位通信系统的研究与实现

无线定位技术近年来在工业和研究领域受到了极大的关注，高精度的定位服务在移动通信、智能交通和医疗等领域都具有广泛的应用前景。目前使用最广的是 GPS定位系统，其在室外环境下具有很突出的性能，能为飞机、船舶和车辆等目标提供精确的定位信息和导航服务。但是GPS系统的定位信号无法穿透建筑物， 不能完成对室内目标的定位[1]。针对无线定位领域，IEEE802.15.4a定义了两种可实现高精度定位的物理层——脉冲超宽带和Chirp扩频 （CSS）[2-3]。Chirp信号又称线性调频信号，最先应用在雷达领域，随着声表面波（SAW）器件发展，其扫频带宽不断增大，已经具有了一般超宽 带信号的特点。Chirp扩频信号具有时间分辨率高、抗多径能力强、传输速率高、功耗低和系统复杂度低等特点，非常适合用于室内目标定位[4-6]。
本文设计了基于Chirp扩频信号的室内定位通信系统，在利用Chirp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（Symmetric Double Sided Two-Way Ranging）测量端点间的距离[7]，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 系统模型
本文是基于多移动标签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。该系统使用一种改进的TOA测距算法——对称双边双向测距算法（SDS-TWR），利用该算法不需 要标签点和锚节点的时钟同步的优点，降低系统的实现难度[8]。系统工作时，当有移动标签点需要定位时，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。

2 硬件设计
目前，Chirp信号的调制与解调主要使用声表面波器件（SAW）完成，单独设计并完成一套Chirp信号发射机和接收机较为复杂，成本较高，并且不利 于硬件的集成化。本系统选用nanoPAN 5375射频收发模来完成基本的Chirp通信功能。nanoPAN 5375射频收发模块由德国nanotron公司生产，采用Chirp扩频技术，扩频带宽达到80 MHz，工作在2.4 GHz ISM频段，最高数据传输速率高达2 Mb/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。nanoPAN 5375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移动标签点和锚节点两部分。
2.1 锚节点硬件设计
锚节点的硬件主要基于Atmega128 8 bit单片机和nanoPAN 5375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nanoPAN 5375射频模块的控制及数据收发工作。nanoPAN 5375射频模块的ANT脚通过一条阻抗为50 ?赘的微带线与2.4 GHz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。

　模拟信号的调制、解调和放大等处理都由nanoPAN 5375模块完成，并通过2.4 GHz天线进行收发。JTAG接口和RS232接口则用于系统的调试。Atmega128单片机通过SPI总线和几个控制端口对模块进行控制。 Atmega128单片机与nanoPAN 5375射频模块的连接如图3所示。SPICLK、SPIRXD、SPITXD、SPISSN分别为SPI总线的时钟、数据接收、数据发送和片选端口。通 过PONRESET引脚对模块进行复位，模块初始化前应通过该引脚对模块进行复位操作。UCIRQ和UCRESET分别为单片机中断和复位引脚。

3 系统软件设计

　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。
nanoPAN 5375模块的SPI接口的最高数据传输速率为16 Mb/s，接口的时序及数据模式可以通过寄存器进行设置。Atmega128和STM32F103处理器带有标准的SPI接口控制器，将它配置成主机模 式，数据格式设置为8 bit、大端模式，数据速率小于16 Mb/s。向nanoPAN 5375模块的0x00地址写入0x42，将模块的SPI接口设置成相同的模式。
对nanoPAN 5375模块的控制程序主要包括ntrxinit.c、ntrxiqpar.c、ntrxdil.c和ntrxutil.c，它们的关系如图6所示。 ntrxinit.c和ntrxiqpar.c完成对模块硬件的初始化，包括寄存器、硬件接口、扩频带宽和传输速率的设定，本系统将带宽设置为80 MHz，数据传输速率设置为最高的2 Mb/s。ntrxdil.c完成数据的接收与发送、定位算法和中断响应等功能的具体实现函数。ntrxutil.c则封装了大量与模块操作相关的共用函 数，方便各模块的调用。