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）

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，通過測量4個基站到終端的距離實現(xiàn)定位。由C#編寫的上位機(jī)軟件控制定位的啟動和停止，執(zhí)行定位算法和在一個圖形界面上實時顯示終端的所處位置。實驗表明本系統(tǒng)具有部署簡單、低成本、定位精度較好等優(yōu)點。

無線通信；室內(nèi)定位；相位差測距；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)成熟和人們對高質(zhì)量生活的不斷需求，越來越多的人投入到對室內(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：超寬帶定位需要基站的精準(zhǔn)時間同步，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)場布置大量參考標(biāo)簽，而基于信號場強(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態(tài)定位中達(dá)到厘米級的精度［2］，所以本文的定位系統(tǒng)考慮通過測量無線信號發(fā)送和接收時刻相位差值計算出距離從實現(xiàn)定位。由ATEML公司設(shè)計的無線芯片AT86RF233具有支持相位差測距功能配合其官網(wǎng)相位差分測距應(yīng)用能夠容易實現(xiàn)基站對終端的距離測量，其還有價格低、體積小等優(yōu)點，所以為本系統(tǒng)首選無線芯片。

1　相位差測距的實現(xiàn)

如果能夠測量出基站在i時刻發(fā)送的載波信號相位θi與定位終端在j時刻接收到的該信號相位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。但是在單個基站和單個終端的通信中，如何測量或消除初始相位θj和整周相位N是一個算法難點，本文中不論述該算法的原理。本系統(tǒng)是基于ATMEL公司相位差分測距應(yīng)用的二次開發(fā)。由ATMEL公司設(shè)計的2.4G收發(fā)一體的無線芯片AT86RF233支持相位差分測距功能。AT86RF233內(nèi)部PHY_PMU_VALUE寄存器值為捕獲到的載波信號相位與本地再現(xiàn)參考信號相位差值，配合對ATMEL官網(wǎng)上提供RTB（Rang tool box）軟件包里的相位差分測距LIB移植可實現(xiàn)單個基站與終端間的距離測定。

2　定位算法

本系統(tǒng)采用4個基站，其坐標(biāo)分別為S1（x1，y1），S2（x2，y2），S3（x3，y3），S4（x4，y4）；d為移動終端P（x，y）到4個基站的測量距離，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、基站節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和定位終端節(jié)點五部分構(gòu)成。基站實現(xiàn)對定位終端的距離測定。網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)基站和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。上位機(jī)負(fù)責(zé)定位的啟動和終止定位算法的實現(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

為實現(xiàn)小體積應(yīng)用，本系統(tǒng)主機(jī)或基站等節(jié)點僅由單片機(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。

存儲模塊芯片采用AT24C512C，其功能主要是對系統(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，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距還硬件支持IEEE802.15.4協(xié)議如自動應(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兩根天線的控制來選擇有效信號傳輸路徑，在DIG1、DIG2管腳會輸出一對差分信號用于控制天線。本系統(tǒng)中每個節(jié)點使用了一對天線，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

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)存和隊列管里單元管理各層對內(nèi)存空間的申請使用和各類事件［6］。PHY層實現(xiàn)IEEE802.15.4規(guī)定電氣信號的物理連接等。

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）。每個指令的協(xié)議內(nèi)容為：首先是3字節(jié)協(xié)議ID（由LCT3個字符表示），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、移動終端地址等字節(jié)單元，最后是1字節(jié)序列號和2字節(jié)CRC校驗。其中0x11表示手動定位模式，0x12表示自動定位模式其后面不需要接終端地址。0x22表測距成功，0x21表示測距失敗其后面不需要添加距離數(shù)據(jù)。在自動定位模式時網(wǎng)關(guān)會在不同時刻向某一基站發(fā)送相同的指令，由于各類原因很可能造成后一時刻終端返回數(shù)據(jù)是對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)時間錯位。本設(shè)計中采用序列號對比：基站發(fā)送含序列號的指令，每次發(fā)送時序列號改變，終端返回帶序列號的數(shù)據(jù)，當(dāng)雙方的序列號一致時基站判斷數(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)兩個節(jié)點通信時，其他節(jié)點也可能同時收到它們的信息，通信碰撞不容忽略。本系統(tǒng)從3個方向進(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芯片硬件自動完成［8］。其中心思想為：每次發(fā)送數(shù)據(jù)前對當(dāng)前信道進(jìn)行評估，如果當(dāng)前信道空閑則發(fā)送，否則隨機(jī)延遲一段時間后再次對當(dāng)前信道評估；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IEEE802.15.4協(xié)議硬件過濾功能。其原理為對接收到的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，然后將地址域里的終端地址及PAN ID等與本機(jī)匹配；當(dāng)以上條件都滿足時該幀數(shù)據(jù)通過，否則丟棄，以上功能由芯片硬件自動完成。

5.3.3軟件設(shè)計防碰撞處理

在程序中，也對防碰撞做了處理：程序設(shè)計對接收到的數(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數(shù)據(jù)才有效。

5.4網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

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)。收到停止命令時停止定位；收到啟動定位指令時，網(wǎng)關(guān)就向第一個基站發(fā)送測距指令并將測得距離數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)，接著向第二個基站測送測距指令，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

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)測距指令后就執(zhí)行對終端的距離測量。測距流程如圖5所示。

5.6上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)通過串口向網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制指令，負(fù)責(zé)定位的啟動和終止，并通過串口搜集來自網(wǎng)關(guān)的測距數(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　測試結(jié)果與分析

6.1動態(tài)定位測試

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，手持移動終端節(jié)點在室內(nèi)走一個圈，測試結(jié)果如圖7所示。

可以看出界面顯示了一個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　動態(tài)定位測試效果

6.2定位精準(zhǔn)度測試

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

表2　定位測試數(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)了信號強(qiáng)弱對定位精度的影響；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)方案僅由幾個節(jié)點就可完成，節(jié)點體積小現(xiàn)場布置容易，系統(tǒng)定位精度較好，在一些對精度要求不高的場合可以實現(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，也可用于個人無線局域網(wǎng)絡(luò)的實現(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］.測繪工程，1999，8（1）:12-18.

［3］楊俊，武奇生.GPS基本原理及其Matlab仿真［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

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

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［6］陳媛，何波，涂曉紅.算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［7］電氣和電子工程師協(xié)會.IEEE 802.15.4-2006標(biāo)準(zhǔn).低速率無線個人局域網(wǎng)絡(luò)的無線多媒體接入控制及物理層規(guī)范［S］.華盛頓:IEEE計算機(jī)協(xié)會，2006.

［8］Ateml公司.AT86RF233技術(shù)手冊［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：201507060

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