無線局域定位系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

引言
本文闡述的個(gè)人位置跟蹤系統(tǒng)是射頻識(shí)別系統(tǒng)(RFID)在個(gè)人定位上的應(yīng)用，即利用無線鏈路的方式實(shí)現(xiàn)個(gè)人的位置定位的系統(tǒng)。系統(tǒng)的頻率為433MHz，通信距離為200米。系統(tǒng)分為手持臺(tái)、基站和信息處理的數(shù)據(jù)庫?；驹硎峭ㄟ^定時(shí)發(fā)射基站發(fā)射同步時(shí)鐘信號(hào)，手持臺(tái)接收到該信號(hào)后，按照一定的次序同接收基站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。交換完數(shù)據(jù)信息后，基站即時(shí)更新數(shù)據(jù)庫，并由管理PC機(jī)顯示，需要時(shí)可以報(bào)警。
空中鏈路安排
通常在進(jìn)行無線接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須進(jìn)行鏈路預(yù)算分析的演示。通過演示，可以預(yù)知在特定的輸出誤碼率(BER)和信噪比(SNR)下，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，接收機(jī)所需要的噪聲系數(shù)(NF)、增益、和發(fā)射機(jī)的輸出功率等。由射頻理論可知，信號(hào)的自由空間損耗：
L(dBm)=20log(4R/)=20log(4Rf/c)
式中：R為通信距離；f為信號(hào)頻率；c為光速。
當(dāng)f以MHz為單位，R以km為單位時(shí)，可以得到：
L(dBm)=32.45+20logf(MHz) +20logR(km)
若以433MHz作為空中鏈路頻率，則L(dBm)=85.2+20logR(km)。
相應(yīng)的數(shù)值列表如表1。
由于通信距離設(shè)定為200米，故空中動(dòng)態(tài)為1米至200米，即動(dòng)態(tài)范圍為71.2-25.2＝46dB 。考慮到身體的不同方向衰減30dB，則動(dòng)態(tài)范圍達(dá)46+30＝76dB。 當(dāng)然，實(shí)際信號(hào)在傳播過程中往往不止自由空間損耗，還有其它的損耗，這將使空中鏈路更加惡化。一般通過增加發(fā)送的功率，減低接收NF，增加接收增益和提高發(fā)射與接收天線增益可以使這些損耗得到補(bǔ)償。  
手持臺(tái)的電路由兩部分組成：第一部分是單片機(jī)，其主要的功能是用于控制射頻RF模塊和保存與手持臺(tái)ID相關(guān)的信息。射頻模塊則負(fù)責(zé)接收和發(fā)射基站MCU送來的信號(hào)。由于手持臺(tái)采用電池供電，所以功耗、接收靈敏度以及低工作電壓是其重要的指標(biāo)。

圖1  手持臺(tái)的軟件流程圖

圖2  復(fù)時(shí)發(fā)射基站電路框圖

手持臺(tái)重要的參數(shù)有：

手持臺(tái)的電路可以由CHIPCON公司的單片射頻收發(fā)芯片CC1000，和TI公司的MSP430F1121微處理器組成。CC1000是一款低功耗、低工作電壓、單片UHF無線收發(fā)芯片。該芯片主要為工業(yè)生產(chǎn)、科技和醫(yī)藥應(yīng)用方面實(shí)現(xiàn)在小范圍、短距離通信而設(shè)計(jì)。頻率一般工作在315，433，868和915MHz，但是通過專用軟件可以很容易計(jì)算出使該芯片運(yùn)行在300~1000MHz內(nèi)任一頻率上所需的參數(shù)，并通過與各種微處理器的配合可以方便快捷地定義其工作狀態(tài)。MSP430F1121微處理器也是一種具有超低功耗特性的功能強(qiáng)大的單片機(jī)。它有多種工作模式，工作電流視工作模式的不同為0.1至400uA 。一個(gè)中斷可以將系統(tǒng)從各種工作模式中喚醒。而RETI指令又使MSP430返回到中斷事件發(fā)生前的工作模式。因此為手持臺(tái)節(jié)省能耗成為可能。另外通過MSP430微處理器可以完成對(duì)CC1000的各種工作狀態(tài)設(shè)置，方便快捷。由這兩個(gè)IC構(gòu)成的電路完全可以滿足手持臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)列舉如下：

手持臺(tái)的軟件流程圖如圖1所示。
基站的基本特性及軟硬件設(shè)計(jì)如下：

定時(shí)發(fā)射基站主要的作用是負(fù)責(zé)每隔一定時(shí)間發(fā)送一個(gè)同步時(shí)鐘信號(hào)給各個(gè)手持臺(tái)。手持臺(tái)接到信號(hào)后即開始用計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，不同的手持臺(tái)計(jì)時(shí)時(shí)間可以通過修改程序使計(jì)時(shí)時(shí)間錯(cuò)開，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待中斷喚醒。
一個(gè)區(qū)域只可安裝一個(gè)定時(shí)發(fā)射臺(tái)，如果需要多臺(tái)，則需要GPS定時(shí)。根據(jù)系統(tǒng)的需要，定時(shí)發(fā)射臺(tái)的作用距離為1km，由上文可知路徑損耗為85.2dB,接收靈敏度為-96dBm，加上30dB的保護(hù)能量，則接收機(jī)要求的能量為-96+33＝-66dBm。如果定時(shí)發(fā)射臺(tái)的天線是全向的，G＝30dB，則發(fā)射機(jī)的功率要大于(-66+85.2)dBm=19.2dBm。
按發(fā)射功率為1W來設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的定時(shí)發(fā)射基站的電路框圖如2所示。

接收基站主要的作用是負(fù)責(zé)接收各個(gè)手持設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。并負(fù)責(zé)將所有的數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳送給管理PC機(jī)，管理PC機(jī)根據(jù)這些信息即時(shí)更新數(shù)據(jù)庫。接收基站可以多點(diǎn)分布。
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，接收距離按200m來設(shè)計(jì)。手持臺(tái)的發(fā)射功率為0dBm,加上40dB的保護(hù)帶，所以接收站接收到的功率為：-71.2-40＝-111.2dBm。
若天線增益收發(fā)相抵為0dB，則接收的靈敏度為-111.2dBm，設(shè)中頻帶寬設(shè)定為200kHz，則最低的可檢測(cè)輸入功率電平Pmin=-174+53＝-121dBm，此時(shí)前端濾波插入損耗L≤4dB，則NF必須<5dB所以電路框圖如圖3所示。
另外，考慮到在0.001km處，空中鏈路衰減25.2dB，所以接收基站收到的最大能量為-25.2dBm，由此可得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)為(-25.2+111.2)dB =86dB。
為了保證正常的通路，因此在接收基站，需要加低噪聲放大器LNA(G≥15dB，NF1≤2dB),同時(shí)要有可調(diào)衰減為20dB的自動(dòng)增益控制電路AGC。
根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的需要，前端濾波器采用f＝433MHz的聲表面波濾波器，其插入損耗L＝1.5dB。由于無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)為：

系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為：

1.41+0.36+0.38=2.16
則：NF＝3.34dB<5dB，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
基站的RF模塊也使用單片射頻收發(fā)芯片CC1000。但是為了節(jié)省成本，MCU可以使用51系列單片機(jī)。由于CC1000電源的電壓為3V，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)從3V電平轉(zhuǎn)換到5V電平的轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路既可以使用專用的電平轉(zhuǎn)換芯片，如Philips公司的74LVC4245 和 Maxim公司的MAX3370，還可以采用CHIPCON公司開發(fā)板上的轉(zhuǎn)換電路方案。
當(dāng)通信范圍不是很大的情況下，比如說就在200米范圍內(nèi)，則定時(shí)發(fā)射基站和接收基站可以合二為一。這時(shí)基站的軟件流程圖如圖4所示。

功耗分析
在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于手持臺(tái)使用紐扣電池作為系統(tǒng)供電方式。因此，手持臺(tái)的功耗是設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的問題之一，可以說是本系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。為了闡明功耗問題，首先需要分析基本空中數(shù)據(jù)的傳輸過程。
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，定時(shí)發(fā)射基站每5s必須作一次定時(shí)發(fā)射，且系統(tǒng)的容量為256，用19.2k波特率傳輸數(shù)據(jù)。136bit的定時(shí)碼幀格式如下。

圖3 接收基站電路框圖

圖4 基站軟件總體流程圖

由于一幀數(shù)據(jù)的容量共為136bit，發(fā)送所需時(shí)間136×(1/19.2)×10-3=7ms，因而在間隔時(shí)間5s內(nèi)的總?cè)萘繛?5/7)×103=714 個(gè)，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量位256個(gè)，故系統(tǒng)容量足夠大。
手持臺(tái)接收到定時(shí)發(fā)射基站發(fā)出的定時(shí)信號(hào)后，延遲10ms，才相繼開始發(fā)送數(shù)據(jù)給接收基站，發(fā)送數(shù)據(jù)完畢即進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少電源的損耗。接收基站接收完所有的手持臺(tái)發(fā)射來的數(shù)據(jù)，即時(shí)更新數(shù)據(jù)庫，并將結(jié)果顯示或報(bào)警。
發(fā)射定時(shí)時(shí)序的間隔為5s，其中7ms用于發(fā)射(10.4mA)；另外的7ms用于接收(7.4mA)。一個(gè)手持機(jī)將用時(shí)間14ms。
故手持臺(tái)總的耗電量為：
720×7×(10.4+7.4)/3600000=0.02492 mA/小時(shí) 
900mA/小時(shí)的電池可以使用4.1年。當(dāng)然，加上MCU的功耗，電池的使用時(shí)間將會(huì)降低。

結(jié)語
本文介紹的個(gè)人位置跟蹤系統(tǒng)及其解決方案主要功能和參數(shù)已經(jīng)基本達(dá)到系統(tǒng)要求。但是在軟件特別是在糾錯(cuò)編碼方面有待改進(jìn)。