基于NA5TR1的无线定位节点的设计

摘要：提出了基于对称双边两路测距(SDS-TWR)机制的无线定位节点设计方案。定位节点采用NA5TR1为无线定位节点的核心器件，该器件内部集成了具有双边两路测距功能的模块和2．45 GHz ISM RF收发器，利用ATmega644v单片机为控制器，完成无线定位节点的整体设计，并给出无线定位节点电路原理图。节点通过测量不同基站间数据延迟时间差，实时计算出基站间的距离，经上位机对距离数据的处理，实现对目标的定位。测试结果表明，定位节点测距精度高，通信最远距离达600 m。
关键词：无线定位；节点设计；NA5TR1；ATmega644v

随着无线通信、微处理器技术的不断进步，推动了无线定位技术的发展。目前常用的无线定位技术有GPS技术、Zibgee技术、蓝牙技术、红外技术等，根据不同领域对定位精度的要求，以上技术应用于实时定位跟踪、医疗、工业检查及控制、安全管理等领域但这些定位技术的定位精度都不高，一般在3m以上。利用NA5TR1芯片，采用均匀的双边两路测距技术，可以实现定位精度在1 m以内，经过软放大或硬件放大后，数据传输距离可达800m。

1 无线定位系统
无线定位系统包括参考节点和移动节点，参考节点按照一定的规律固定地放置在需要定位的区域，一般将参考节点放置在矩形区域的4个顶角位置，并按照矩形的两条平行线进行区域扩展，移动节点放置在被定位的实体上。选择一个参考节点与上位机连接，实现数据的采集及处理，从而实现定位的目的。由于NA5TR1具有测距的功能，上位机接收到的数据是不同参考节点到被定位实体的距离，利用合理的算法，对距离数据进行计算处理，最终实现目标定位。

2 定位节点的特征
定位节点是放置在需要定位区域的固定参考节点，该节点具有体积小、功耗低、高精度测距的功能、并能实现无线数据的收发。定位节点主要包括ATmega644v单片机、NA5TR1无线射频芯片、电源模块及接口模块等组成。NA5TR1芯片实现无线数据的收发并具有测距功能，单片机通过SPI接口实现对NA5TR1的控制及数据处理和与上位机连接。由于需要定位区域的环境状况的不确定性及定位节点需要长时间的工作，在设计定位节点时需要选择性能稳定、成本低、集成度高、测距精度高的芯片，NA5TR1内部集成了具有双边两路测距的功能模块和2．45 GHz ISM RF收发器。满足高精度定位节点设计的要求。

3 NA5TR1芯片的性能及特征
NASTR1是NANOTRON公司推出的具有短距离高精度测距功能的无线射频芯片。该芯片集成了2．45 GHz ISM RF收发器，在硬件方面支持测距功能(链接点之间的距离测量)、FDMA(频分复用通道Frequency Division MultiplexAccess)带有3个非叠加频率通道和7个叠加的频率通道、象征性的0 dBm能量输出、常规条件下，RF灵敏度≤-95 dBm@BER=0．001、RSSI灵敏度达到-95 dBm(仅对于匹配的尖脉冲)，适应的温度范围工业级：T=-40～+85℃，带内载波干扰比(C／I)：C／I=0…3 dB@250 kbps@C=-80 dBm，允许的电压范围：2．3～2．7 V，具有节能的掉电模式，掉电模式下的最小工作电流≤2Ua，外部控制器通过软件控制芯片的节能模式，为外部控制器提供32．768 kHz时钟信号、集成了SPI接口(32 Mb／s，只能是从模式)、集成了帧缓冲器，微控制器管理功能，4位通用的数据I／O口，便于连接传感器，在严实时性和紧急任务计算的条件下，提供硬件MAC加速功能。
NA5TR1包括了NA1TR8的大部分功能，但增加了一些新的功能。主要有：信道、数据分散延迟线吸收、快速尖脉冲序列接口、默认的标准指令集、可编程上拉电阻。信道是将一个宽频带分成许多窄频带，NA5TR1所用的带宽是2．4 GHzISM频带(2．4～2．483 5 GHz)。然而，用户可以通过对芯片编程，使用80 MHz的带宽。或者22MHz的带宽。这样可以与符合ISM带宽的设备实现信道共享。NA5TR1的信道功能使用FDMA技术实现。此技术可以将80 MHz频带分成几个独立复用的符合ISM标准的22 MHz的频带。这个窄带能被设成任意的22 MHz的频率。
NA5TR1可完成测距的功能，采用对称双边两路测距方法(SDS-TWR)。仅用两个基站就可以实现测距，通过两个基站的相互通信及应答，4个通信过程如下：A基站的数据包发给B基站，B基站的一个应答数据包发给A基站。B基站的数据包发给A基站，A基站的一个应答数据包发给B基站。采用信号传播延迟(发送和应答)和响应数据包的处理延迟，两个基站间的距离就可以计算出来，如图1所示。D=(T1-T2)／2。

4 定位节点的设计
定位节点主要由无线通信模块、处理器模块、电源模块等组成。通信模块采用具有测距功能的NASTR1无线射频芯片，处理器模块采用ATMEL公司的ATmega644v单片机，电源模块采用LM1108-2.5V，实现外部5 V电源转2.5 V，供给芯片使用，也可以直接利用锂电池供电，具体实现如图2所示。