摘要：精確的位置信息是實現(xiàn)普適計算的要求。提出了基于nRF2401無線收發(fā)模塊和超聲波技術(shù)的精確定位系統(tǒng)的組成框架和定位算法；并給出了基于nRF2401無線收發(fā)模塊組成傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議和超聲波收發(fā)時間差的修正方案。

     關(guān)鍵詞：超聲波定位 普適計算 無線電收發(fā)模塊 媒體接入控制

隨著計算機技術(shù)和無線電通信技術(shù)的發(fā)展，普適計算（Ubiquitous Computing）將被應(yīng)用在各種領(lǐng)域，融入到人們的日常生活中，提高人們的生活質(zhì)量和水平。普適計算的一個前題條件是必須獲取普適計算對象的位置信息，這個位置信息依據(jù)普適計算的不同應(yīng)用，可以是基于區(qū)域范圍的，也可以是基于精確坐標的。

    有很多定位技術(shù)都可以對物體進行定位，但適合普適計算要求的、對多個移動物體精確定位的、電子系統(tǒng)復(fù)雜性低的技術(shù)卻并不多。普適計算的應(yīng)用環(huán)境一般在室內(nèi)，并且要求定位精度達到厘米級，定位系統(tǒng)必須能很方便地在空間布置�；跓o線收發(fā)模塊和超聲波技術(shù)的精確定位系統(tǒng)是一種可行的適合普適計算要求的定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)的特點是電子系統(tǒng)復(fù)雜性低，容易實現(xiàn)且成本低；定位精度高，容錯性能好；定位信標體積小，可以附著在任何需要定位的移動或不移動物體上；除了被定位物體策動定位請求外，還允許外部網(wǎng)絡(luò)策動定位請求和監(jiān)控被定位物體。

1 定位系統(tǒng)的組成

定位系統(tǒng)的組成如圖1所示。超聲波信標節(jié)點由無線收/發(fā)模塊、MCU、超聲波發(fā)射頭、與被定位物體通信的接口和電源等組成；傳感器節(jié)點（即普通節(jié)點）由無線收/發(fā)模塊、MCU、超聲波接收頭和電源等組成；而中心節(jié)點則由無線收/發(fā)模塊、DSP、與外部網(wǎng)絡(luò)（可用于策動定位請求和監(jiān)視追蹤目標）的接口等幾部分組成，具有極強的計算能力，用于控制定位系統(tǒng)中超聲波發(fā)射和接收的同步。每個普通節(jié)點的空間位置在這個定位系統(tǒng)構(gòu)筑期間已經(jīng)確定，并存儲在中心節(jié)點內(nèi)。定位請求可以由外部網(wǎng)絡(luò)通過中心節(jié)點發(fā)起，也可以由被定位物體通過其附著的超聲波信標節(jié)點發(fā)起，分別如圖2和圖3所示。定位請求的主要內(nèi)容是被定位物體的ID。

    無論是誰發(fā)起的定位請求，當中心節(jié)點收到定位請求時，馬上以廣播方式發(fā)布定位公告（內(nèi)容包含被定位特體的ID和發(fā)起源標志）。超聲波信標節(jié)點收到與其所附物體相同ID的定位公告后，馬上發(fā)射超聲波信標；而普通節(jié)點i(1<i<n)收到定位公告后，便啟動計時器并接收超聲波信號。普通節(jié)點一旦接收到超聲波信號馬上停止計數(shù)器，此刻計時器對應(yīng)的時間ti就是該普通節(jié)點測得的超聲波收發(fā)時間差。每個普通節(jié)點把它所測得的時間差發(fā)送給中心節(jié)點，由中心節(jié)點來完成定位計算。

2 定位算法

定位算法是在定位系統(tǒng)的中心節(jié)點完成的。超聲波的傳播速度為：

 

式中，T為環(huán)境攝氏溫度。

假定被定位物體的三維坐標為（x,y,z）和至少有四個傳感器節(jié)點不在同一平面上，則被定位物體到傳感器節(jié)點的距離為：

 

很明顯，（2）式是一組非線性超定方程，被定位物體的三維坐標估計值可用最小二乘法求出：

 

可以證明，只要每個傳感器節(jié)點對V·ti的測量誤差都滿足N（0，σ2）且相互獨立，則（3）式的結(jié)果是最大似然估計。隨著n的增加，它將是無偏估計。

3 定位系統(tǒng)的具體設(shè)計與實現(xiàn)

考慮到低成本和小型化的需要，本系統(tǒng)選用Nordic VLSI公司的單片無線收發(fā)模塊nRF2401構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該模塊工作在2.4～2.5GHz的ISM頻段上，典型輸出功率為0dBm，接收靈敏度為-90dB，無線傳輸距離為30～40m，這與20m左右的超聲波測距能力相當。該模塊是收/發(fā)半雙工的，總共125個頻道，頻道可以編程設(shè)置，頻道間隔為1MHz，頻道切換時間<200μs，還可以對同頻道上工作的模塊進行編址。該模塊支持ShockBurst工作模式，即利用片上FIFO，無線收/發(fā)的數(shù)據(jù)速率可達1Mb/s，而無線收/發(fā)模塊與MCU的數(shù)據(jù)交換速率則可以是低速的，如10kb/s。這樣做的好處是減少了無線電波發(fā)射時間、降低了能耗和空中無線電波發(fā)生沖突的機會，另外也降低了對MCU的速度要求。該模塊還支持DuoCeiver模式，通過一根天線同時接收兩