基于雙頻技術的槍支定位器設計與實現*

劉　芳　岳偉甲　鄭玲玲

(陸軍軍官學院裝甲兵系　合肥　230031)

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基于雙頻技術的槍支定位器設計與實現*

劉芳岳偉甲鄭玲玲

(陸軍軍官學院裝甲兵系合肥230031)

摘要論文采用高低頻配合的設計模式，綜合運用低頻載波定位、寬帶線性調頻擴頻定位、無線通信技術，研制了“基于雙頻技術的槍支定位器”，將其安裝在槍托副品匣內，具有防拆卸功能。基于無線低頻喚醒的優點，通過接收報警主機發射的無線低頻激勵信號，實現對槍支定位器主芯片的喚醒，并進行高頻定位模式的切換，顯著降低了槍支定位器的功耗，延長系統工作時間。

關鍵詞低頻喚醒; 高頻定位; 無線通信

Class NumberTP391

1　引言

目前大多數的營區安裝了視頻與電話監視控制設施，使用視頻電話等監控方式隨時隨地監視控制與跟蹤各個哨位點，并且配合工作人員的巡視以確保安全性。雖然預防安全隱患的能力有所增強，然而因為傳統管理模式的局限性，依舊有很多問題難以處理。通過對部隊實際和目前市場各類槍支防丟防盜系統的分析，為加強部隊安全防范工作，防止執勤槍支被搶、哨兵被襲擊和哨兵攜槍逃離部隊等情況的發生，加大對執勤槍支的監督管理力度，有效預防武器裝備丟失和遭人為破壞，防止涉槍涉彈重大惡性案件發生，本文提出了“基于雙頻技術的槍支定位器”設計方案，采用高低頻配合的多種無線定位方式，將其安裝在槍托副品匣內，具有防拆卸功能，采用低功耗嵌入式設計，可接收低頻(125K)信號，并利用高頻(2.4G)信道進行通信和多點定位，具有蜂窩移動定位功能[1]。

2　系統硬件設計

槍支定位器平時工作中心頻率為125kHz，起喚醒2.4G定位模塊作用。槍支定位器總體硬件框圖如圖1所示。

圖1　槍支定位器總體硬件框圖

當定位器收到報警主機125K的激勵信號之后，2.4G定位模塊由被動喚醒轉換為主動傳輸，進行2.4GHZ頻段通訊[2]。經試驗驗證槍支定位器激活距離一般為3m。當執勤槍支超出報警主機激活距離，即在營門活動區域范圍內采用高頻(2.4G)無線定位技術，此時基于信號強度的測距方式采用基于時間的測距方式，進行多點定位。當執勤槍支遠離營門超出活動范圍，此時系統激活GSM+GPRS模塊，采用蜂窩移動定位技術(GSM+GPRS)，通過移動通信網絡，迅速將槍支位置信息傳送給移動用戶或者遠端的用戶[3]。

2.1低頻接收設計

槍支定位器中低頻喚醒接收模塊，其低頻喚醒接收功能的實現核心是奧地利微電子的AS3932芯片[4]。AS3932是一款3通道可編程低頻喚醒接收器，具有3通道ASK喚醒接收，可編程16位或32位曼徹斯特喚醒碼；接收頻率范圍廣泛：15kHz～150kHz；支持可編程數據速率和帶時鐘恢復的曼徹斯特解碼，并提供了內置自動天線調諧器；喚醒靈敏度達到80μVRMS，3通道低功耗偵聽模式功耗最低僅有1.7μA。低頻天線采用并聯諧振方式，由并聯電阻、電容和電感組成。為克服低頻接收的方向性，天線采用PREMO 的三維正交低頻天線，其中X、Y軸方向上的電感LXY=4.77mH，直流等效電阻RXY=93Ω，Z軸方向上的電感LZ=5.89mH，直流等效電阻RZ=142Ω，低頻諧振的頻率f=125kHz。低頻天線并聯諧振的等效電路如圖2所示。

圖2　低頻天線并聯諧振等效電路

其中L為天線線圈的電感值，u為天線線圈的感應電壓，RL為天線線圈的直流等效電阻，Cpar為并聯電容，Rpar為并聯電阻。為了達到最優的低頻接收靈敏度，對諧振電路匹配的阻容進行理論計算。電路諧振時，并聯電容計算可通過湯姆遜公式獲得：

(1)

當L=LXY=4.77mH，f=125kHz，代入上式求得CparXY=340.2pF；

當L=LZ=5.89mH，f=125kHz，代入上式求得CparZ=275.5pF。

設計中缺少電容值為340.2pF和275.5pF的電容，X、Y采用330pF和10pF的電容并聯代替，Z采用270pF和6.8pF的電容并聯代替。

低頻天線性能和其品質因數Q關系密切，一般來講，Q值越高低頻喚醒作用距離越遠，不過Q值太高會導致標簽通頻帶寬縮小，影響數據的正確性。設計中Q值大小無法遵循協議標準，廠家推薦的Q值范圍為20～30。并聯諧振電路有載品質因數Q可由下式得到：

(2)

根據天線諧振電路相關參數，選取Q=25.1，代入式(2)分別求得XYZ軸諧振并聯電阻：RparXY=250kΩ，RparZ=470kΩ。

125K接收模塊的電路圖如圖3所示。考慮程序處理的精簡性，AS3932芯片外接32.768kHz的晶振，用于對低頻信號的頻率檢測。AS3932三個接收通道的管腳分別與3D低頻天線的XYZ軸引腳相連，配置引腳與MCU的SPI相連，喚醒管腳WAKE3932與MCU的P0管腳相連，曼徹斯特解碼時鐘管腳CL_DAT3933和數據引腳DAT3932與MCU的P2腳相連，電源引腳外接電源。

2.22.4G定位通信模塊

對于槍支定位器的監控在營門活動區域采用高頻(2.4G)無線定位技術，這個區域較開闊，也存在院墻、車輛對信號的遮擋，測距時需要考慮多徑傳播、非視距傳播、其他電子設備干擾問題，同時根據設計指標，最大測距距離可能接近140m，基于信號強度的測距方式在距離大于80m很難獲得較高的測距精度，必須采用基于時間的測距方式，進行多點定位[5]。

本文采用nanoPAN 5375模塊，該模塊是一款高性能射頻模塊，具有位置感知與高速通訊功能，其工作于2.4GHz ISM 頻段，既可以高速傳輸數據，又可以精確測距(室外測距精度高達1m)，且測距和數據通信可以同時完成。該模塊采用線性調頻(CSS)調制方式，具有輸出PA(功率放大器)、輸入LNA(低噪聲放大器)、收發轉換控制電路，輸出已匹配到50Ω，使用非常方便[6]。

圖3　125K接收模塊電路圖

nanoPAN 5375模塊與單片機通過SPI口進行數據通信，其中RX_LNA引腳為接收LNA 增益控制腳。高電平為高增益狀態，增益11dB；低電平為低增益狀態，增益1dB。在休眠狀態下，需使此引腳處于低電平，以降低電流消耗。而VCC_PA引腳為功率放大器電源控制引腳，2.5V～3.6V。用于提高模塊的輸出功率。nanoPAN 5375 模塊電路圖如圖4所示。

圖4　nanoPAN 5375模塊電路圖

3　系統軟件設計

槍支定位器在上電初始化完畢之后立即進入休眠狀態，等待中斷信號[7]。當被中斷信號喚醒之后，判斷中斷來源從而執行相關操作。控制流程如圖5所示。

中斷源從功能上主要分為四個： 1) 低頻喚醒信號中斷; 2) RF模塊相關中斷； 3) 定時器1中斷; 4) 定時器2中斷。

1) 低頻喚醒信號中斷

當AS3932接收到喚醒信號之后，向主控芯片發送喚醒中斷信號。主控芯片在收到低頻喚醒信號之后，立即讀取喚醒碼來獲取喚醒信息。之后啟動RF模塊，與報警主機通信。

2) 定時器1中斷

定時器1中斷用來判斷未收到低頻喚醒信號時間和進行剩余電量采集工作的時間間隔。當超出預設時間未收到低頻喚醒信號則進入RF測距準備[9～10]，此時槍支定位器需要通過RF模塊向報警主機發送一條準備完成指令；當定時器1累計定時間隔大于3小時，系統進行一次AD采樣，并將結果通過RF模塊發送給報警主機。

圖5　槍支定位器軟件流程圖

3) 定時器2中斷

定時器2中斷用來判斷未收到測距信號的時間，當沒有收到測距命令的時間大于預設時間后，系統認為超出營門活動區域，需要觸發報警并打開GSM模塊。

4) RF模塊中斷

RF模塊啟動后進入測距準備狀態，每收到一次測距命令，觸發主芯片一次中斷，該中斷對定時器2清零，確保GSM模塊關閉。

4　系統測試

槍支定位器安裝于槍械附品倉內，具有崗亭定位、線性調頻擴頻測距、通信基站定位、2.4G數據傳輸、電量檢測、防拆卸報警等功能。為了實測所設計測距硬件的性能，使用槍支定位器和報警主機在某機構崗哨進行了試用實驗，將兩節點距離從1.2m每次增加1.2m，直到46.8m，記錄各距離下的測量數據，如6圖所示。可以看出測量點的擬合線基本上與真實距離線平行，且測量數據的方差較小，這證實了所設計的硬件具有較好的穩定性和較高的測量精度。

圖6　測量距離誤差

將報警主機和三個錨節點分別放置該機構兩個崗亭內和兩個大門柱高處平臺上，坐標分別為(0，0)，(12，0)，(2，5)，(10，5)，將槍支定位器放置在營門區域內已知距離的不同位置上，分別進行10次測試，結合非視距誤差提出算法，計算出響應的位置，根據10組數據繪出定位誤差累積分布圖[8]，如圖7所示。

圖7　定位誤差累計分布圖

圖7中，定位誤差為1m時，誤差累積分布已達到0.5，意味著定位均方根誤差在1m以內的點數達到了總實驗點數的一半；而定位誤差為5m時，誤差累積分布為1。從以上數據可知，由于四個節點距離較近且不在同一水平面，誤差略有增大，但也能滿足設計指標要求，有比較理想的實用性。

5　結語

本文綜合運用了低頻載波喚醒、寬帶線性調頻擴頻定位、移動基站定位、無線通信技術，在確保定位精度的同時降低了系統功耗，可實時顯示哨兵活動軌跡，系統具備無線定位、離位報警、斷線報警、失電報警和防拆卸功能，實現了執勤槍支在營門區域的定位，解決了當前無線定位系統因晶振漂移、多徑效應和非視距因素導致的定位誤差大，易觸發誤報漏報的問題。本文提出的采用低頻信號對崗亭范圍進行定位的技術方案，既解決了近距離情況下高頻信號繞射性差，定位誤差大的問題，又極大地降低了槍支定位器功耗，提高了其工作時間。

參 考 文 獻

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*收稿日期：2015年10月8日,修回日期：2015年11月13日

作者簡介：劉芳，女，碩士，講師，研究方向：檢測技術、無線傳感器網絡。岳偉甲，男，碩士，講師，研究方向：裝備測試及軍事計量技術研究工作。鄭玲玲，女，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統。

中圖分類號TP391

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.036

Design and Complementation of Gun Locator Based on Dual Frequency Technology

LIU FangYUE WeijiaZHEN Lingling

(Armoured Forces Institute, Army Officer Academy， Hefei230031)

AbstractUsing the design patterns with the dual frequency， with the integrated use of low frequency carrier phase positioning， wideband， linear FM spread-spectrum positioning， wireless communication technology， the “based on dual band technology guns locator”is developed， it will be installed in the buttstock with anti dismounting function. Based on the advantages of wireless low frequency wake-up， the main chip of the main chip of the gun is awakened， and the high frequency positioning mode is switched.

Key Wordslow frequency wake, high frequency localization, wireless communication