高危生產區域人員定位節點的電路設計

摘要：為了適應室內人員追蹤定位系統對節點體積、供電、定位精度等的要求，提出了一種以ATmega128L單片機和NA5TR1無線收發芯片為核心的無線定位節點的硬件電路設計方案。ATmega128L單片機具有低功耗的休眠模式，能有效降低節點功耗，NA5TR1無線收發芯片采用線性調頻擴頻技術進行測距，經實驗證明，該測距方法能有效地提高測距精度，從而提高定位的精度。

關鍵詞：無線定位； 節點設計； 線性調頻擴頻； NA5TR1； ATmega128L

中圖分類號：TN9234文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2012)04016303

Circuit design of personnel locating nodes in highrisk production area

YE Rongrong， WANG Ruirong， WANG Jianzhong， HAN Xueyuan

(Institute of Information and Control， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China)

Abstract： In order to meet the requirements of node size， power supply， positioning accuracy of indoor personnel positioning system， a hardware circuit design scheme for wireless location node is presented， which takes microcontroller ATmega128L and wireless transceiver chip NA5TR1 as its core. ATmega128L microcontroller has a lowpower dormant mode， which can effectively reduce node power consumption. NA5TR1 wireless transceiving chip measures the distance by using CSS technology. The experiments show that the ranging method can effectively improve the ranging accuracy， thereby the positioning accuracy is enhanced.

Keywords： wireless localization; node design; chirp spread spectrum; NA5TR1; ATmega128L

收稿日期：20110917

基金項目：浙江省重大科技專項：高危生產區域的工作人員跟蹤與定位系統共建技術研發（2011R09019-01）隨著科學技術的發展，很多新型的化工企業正向著信息化、智能化、無人化的方向發展，但在其發展過程中，傳統人工監測設備的方法仍將在高危生產區域中占據主導。盡管已經采取很多措施以提高整個生產過程中的安全性能，一些由設備隱患、制度缺陷、工作疏忽或個人違章行為等原因引起的安全事故仍舊威脅著現場工作人員的生命安全。在提高工作人員的安全意識和改進設備來避免事故發生的同時，也要在事故發生之后采取有效的措施使資源、財產、生命的損失降到最低，尤其是要保障高危生產區域工作人員的生命安全。在事故發生以后，如果能對事故現場遇難人員的位置進行定位，將可以大大加快搜救的速度，提高搜救的效率。目前可用來室內定位［1］的技術主要有紅外線室內定位技術、超聲波定位技術、射頻識別技術、藍牙技術、Zigbee技術等，但是這些技術在室內定位領域有著各自的不足。例如，紅外和超聲波無法對移動的物體進行定位；射頻識別技術通信距離短，定位精度低；藍牙技術功耗大，傳輸距離短，穩定性差； Zigbee技術［2］定位精度低，抗干擾能力弱等。除了這些技術外，還有最新的線性調頻擴頻技術［3］，線性調頻擴頻技術利用射頻信號到達的時間差來測量節點間的距離，進而對節點進行定位。該技術具有發射功率低、通信穩定性好、抗干擾能力強、定位精度高等特點，能很好地用于化工生產環境的人員定位。本文采用的無線收發芯片即為利用CSS技術的NA5TR1。

1線性調頻擴頻技術

Chirp信號［45］是瞬時頻率隨時間線性變化的正弦波信號，通過對載波頻率進行調制以增加信號的發射帶寬并在接收時實現脈沖壓縮，頻譜帶寬較大，具有良好的自相關性。用Chirp信號進行擴頻的通信方式被稱為線性調頻擴頻。基于線性調頻擴頻的測距過程［6］如圖1所示。第1次測量時，節點1向節點2發送數據包并接收節點2發送的應答，計算出從發出數據包到接收到應答的傳播延時T1，節點2從接收到數據包開始計時，一直到節點2發送出應答即停止計時，得到處理延時T2。第二次測量時，節點2向節點1發送含有T2的數據包并接收節點1發送的應答，同第一次測量一樣，節點2計算出傳播延時T3，節點1計算出處理延時T4。最后，節點2再向節點1發送含有T3的數據包，節點1根據得到的4個延時數據以及信號的傳播速度通過公式（1）計算出兩節點間的距離d，其中c為射頻的傳播速度，約為光速。d=cT1－T2+T3－T44（1）圖1基于線性調頻擴頻的測距過程2室內人員追蹤定位系統

基于CSS技術的室內人員定位追蹤系統［7］包括參考節點、移動節點、網關節點和計算機4個部分組成，如圖2所示。

圖2基于CSS技術的室內人員追蹤定位系統參考節點為室內固定的節點，移動節點根據參考節點發射的信號測量跟參考節點之間的距離，移動節點再將距離信息發送給網關節點，網關節點通過USB接口將距離信息傳送到計算機上，在計算機上實現對移動節點的實時跟蹤定位。

3硬件設計

定位節點由兩塊電路板組成，分別是無線模塊電路板和處理器電路板，如圖3所示。其中無線模塊電路板作為處理器電路板的一部分焊接到處理器電路板上。節點包括電源模塊、無線模塊和處理器模塊3個部分，其中電源模塊和處理器模塊2部分在處理器電路板上，無線模塊在無線模塊電路板上。無線模塊負責射頻信號的接收與發送，處理器電路板負責電源的供給、控制無線模塊電路工作以及數據的通信等。無線模塊電路采用的射頻收發器為德國Nanotron公司的芯片NA5TR1，該收發器采用Nanotron獨特的線性調頻擴頻通訊技術，其片上點對點測距可達到1 m的精度，同時提供傳輸距離極佳的可靠數據通信。

圖3節點框圖3.1電源模塊

電源模塊由穩壓模塊和電平轉換模塊2個部分組成。穩壓模塊提供單片機所需要的3.3 V電壓和射頻收發器需要的2.5 V電壓。所需的0.8~3.0 V輸入電壓由電源適配器或干電池提供。使用的3.3 V穩壓芯片為NCP1402SN33T1單片微功率升壓直流直流轉換器，NCP1402系列穩壓器專為通過一節或2節電池為便攜設備供電的應用而設計，可由0.8 V的電池電壓啟動，同時需要的外部元件少，有5種標準的穩定輸出電壓， NCP1402SN33T1輸出穩定的3.3 V電壓，輸出電流可達200 mA。所使用的2.5 V穩壓芯片為TI公司的TPS79425DGN低壓差線性穩壓器。TPS794xx系列的低壓差線性穩壓器具有高電源抑制比、超低噪聲及快速啟動等特點，該系列穩壓器具有1.2~5.5 V可調的電壓輸出值。由于NA5TR1的I/O口電平為2.5 V，而ATmega128L的I/O口電平為3.3 V，故需要對電平進行轉換。采用的電平轉換芯片為SN74AVC4T245，可以實現1.2 V至3.6 V的電平轉換。

3.2無線模塊［89］

本文采用的無線收發芯片為德國Nanotron公司的NA5TR1［5］，該芯片的工作頻段為2.4 GHz的免授權頻段，提供3個可自由調整中心頻率的非重疊2.4 GHz ISM 頻道和14個重疊的頻道，提高了與現有2.4 GHz無線技術共存時的網絡性能，具有125 Kb/s~2 Mb/s的可編程數據速率，0~33 dBm可調且支持擴展至20 dBm以上的可編程輸出功率，高達大-97 dBm的接收靈敏度，具有節能的掉電模式，掉電模式下的最小電流≤2 μA。

3.2.1時鐘晶振

NA5TR1工作時需要32.768 kHz和32 MHz兩個時鐘信號，32 MHz的時鐘作為基帶時鐘的基準來產生線性調頻信號，32.768 kHz時鐘為實時時鐘及實現掉電模式下的電源管理。為了使節點有一個更高的測距精度，基帶的基準時鐘必須穩定，即32 MHz的時鐘信號必須穩定。為了確保時鐘的穩定，本文中的32 MHz時鐘采用了皮爾斯晶體振蕩器［10］。皮爾斯晶體振蕩器穩定性能極好， Q值和特征阻抗都很高，低噪音，外電路中的不穩定參數對振蕩回路影響很小，回路的標準性高。

3.2.2巴倫濾波

巴倫即平衡/不平衡轉換器BALUN（Balancedunbalanced Transformer），其作用是將平衡信號轉換到不平衡信號或反之。NA5TR1的射頻收發端口經過阻抗變換后接巴倫的平衡段，巴倫的不平衡端接帶通濾波器，帶通濾波器截止除了CSS信號帶寬以外的信號。本文中采用的帶通濾波器下限截止頻率為2.4 GHz，上限截止頻率為2.5 GHz。

3.3處理器模塊［11］

處理器的型號選擇關系到定位節點的工作性能。本文采用的處理器型號是單片機ATmega128L。該款單片機是基于AVR RISC結構的8 b低功耗CMOS微處理器，自帶128 KB的可編程FLASH，在本應用中無需外擴存儲器；同時，該單片機擁有空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的Standby 模式6種睡眠模式，能有效地降低節點的功耗。處理器模塊中有一個RS 232接口，一個JTAG接口，一個SPI接口以及一些預留的數字接口。單片機通過SPI接口實現對NA5TR1的初始化以及控制；RS 232接口實現節點同上位機之間的通信；JTAG接口實現對單片機程序的燒寫。

4節點實現

圖4是節點的實物圖，其中(a)是無線模塊電路的實物圖，該電路板為4層板；(b)是處理器電路板的實物圖，處理器電路板為2層板。無線模塊電路的第1層為信號層，第2層為接地層，第3層為電源層，第4層為信號層，以使得到更高質量的射頻信號；另外，為了使節點方便移動人員的攜帶，無線模塊電路上的元件都采用貼片封裝，如電容電阻等均采用0402封裝來減小節點體積。

5結語

針對目前化工行業的發展趨勢和室內定位技術的發展現狀，本文設計了一種利用線性調頻擴頻技術進行測距的定位節點，該節點功耗低、測距精度高，其優越的傳輸距離以及抗干擾能力讓他能有效地應用于室內的人員追蹤定位。同時，該節點除了用于定位也能用于其他無線傳感器網絡適用的領域，必將對無線傳感器網絡的發展起到積極作用。

圖4節點實物圖參考文獻

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