高危生产区域人员定位节点的电路设计

摘要：为了适应室内人员追踪定位系统对节点体积、供电、定位精度等的要求，提出了一种以ATmega128L单片机和NA5TR1无线收发芯片为核心的无线定位节点的硬件电路设计方案。ATmega128L单片机具有低功耗的体眠模式，能有效降低节点功耗，NA5TR1无线收发芯片采用线性调频扩频技术进行测距，经实验证明，该测距方法能有效地提高测距精度，从而提高定位的精度。
关键词：无线定位；节点设计；线性调频扩频；NA5TR1；ATmega128L

随着科学技术的发展，很多新型的化工企业正向着信息化、智能化、无人化的方向发展，但在其发展过程中，传统人工监测设备的方法仍将在高危生产区域中占据主导。尽管已经采取很多措施以提高整个生产过程中的安全性能，一些由设备隐患、制度缺陷、工作疏忽或个人违章行为等原因引起的安全事故仍旧威胁着现场工作人员的生命安全。在提高工作人员的安全意识和改进设备来避免事故发生的同时，也要在事故发生之后采取有效的措施使资源、财产、生命的损失降到最低，尤其是要保障高危生产区域工作人员的生命安全。在事故发生以后，如果能对事故现场遇难人员的位置进行定位，将可以大大加快搜救的速度，提高搜救的效率。目前可用来室内定位的技术主要有红外线室内定位技术、超声波定位技术、射频识别技术、蓝牙技术、Zigbee技术等，但是这些技术在室内定位领域有着各自的不足。例如，红外和超声波无法对移动的物体进行定位；射频识别技术通信距离短，定位精度低；蓝牙技术功耗大，传输距离短，稳定性差；Zigbee技术定位精度低，抗干扰能力弱等。除了这些技术外，还有最新的线性调频扩频技术，线性调频扩频技术利用射频信号到达的时间差来测量节点间的距离，进而对节点进行定位。该技术具有发射功率低、通信稳定性好、抗干扰能力强、定位精度高等特点，能很好地用于化工生产环境的人员定位。本文采用的无线收发芯片即为利用CSS技术的NA5TR1。

1 线性调频扩频技术
Chirp信号是瞬时频率随时间线性变化的正弦波信号，通过对载波频率进行调制以增加信号的发射带宽并在接收时实现脉冲压缩，频谱带宽较大，具有良好的自相关性。用Chirp信号进行扩频的通信方式被称为线性调频扩频。基于线性调频扩频的测距过程如图1所示。第1次测量时，节点1向节点2发送数据包并接收节点2发送的应答，计算出从发出数据包到接收到应答的传播延时T1，节点2从接收到数据包开始计时，一直到节点2发送出应答即停止计时，得到处理延时T2。第二次测量时，节点2向节点1发送含有T2的数据包并接收节点1发送的应答，同第一次测量一样，节点2计算出传播延时T3，节点1计算出处理延时T4。最后，节点2再向节点1发送含有T3的数据包，节点1根据得到的4个延时数据以及信号的传播速度通过公式(1)计算出两节点间的距离d，其中c为射频的传播速度，约为光速。
(1)

[p]

2 室内人员追踪定位系统
基于CSS技术的室内人员定位追踪系统包括参考节点、移动节点、网关节点和计算机4个部分组成，如图2所示。

参考节点为室内同定的节点，移动节点根据参考节点发射的信号测量跟参考节点之间的距离，移动节点再将距离信息发送给网关节点，网关节点通过USB接口将距离信息传送到计算机上，在计算机上实现对移动节点的实时跟踪定位。

3 硬件设计
定位节点由两块电路板组成，分别是无线模块电路板和处理器电路板，如图3所示。其中无线模块电路板作为处理器电路板的一部分焊接到处理器电路板上。节点包括电源模块、无线模块和处理器模块3个部分，其中电源模块和处理器模块2部分在处理器电路板上，无线模块在无线模块电路板上。无线模块负责射频信号的接收与发送，处理器电路板负责电源的供给、控制无线模块电路工作以及数据的通信等。无线模块电路采用的射频收发器为德国Nanotron公司的芯片NA5TR1，该收发器采用Nanotron独特的线性调频扩频通讯技术，其片上点对点测距可达到1 m的精度，同时提供传输距离极佳的可靠数据通信。

3．1 电源模块
电源模块由稳压模块和电平转换模块2个部分组成。稳压模块提供单片机所需要的3．3 V电压和射频收发器需要的2．5 V电压。所需的0．8～3．0 V输入电压由电源适配器或干电池提供。使用的3．3 V稳压芯片为NCP1402SN33T1单片微功率升压直流-直流转换器，NCP1402系列稳压器专为通过一节或2节电池为便携设备供电的应用而设计，可由0．8 V的电池电压启动，同时需要的外部元件少，有5种标准的稳定输出电压，NCP1402SN33T1输出稳定的3．3 V电压，输出电流可达200 mA。所使用的2．5 V稳压芯片为TI公司的TPS79425DGN低压差线性稳压器。 TPS794XX系列的低压差线性稳压器具有高电源抑制比、超低噪声及快速启动等特点，该系列稳压器具有1．2～5．5 V可调的电压输出值。由于NA5TR1的I／O口电平为2．5 V，而ATmega128L的I／O口电平为3．3 V，故需要对电平进行转换。采用的电平转换芯片为SN74AVC4T245，可以实现1．2 V至3．6 V的电平转换。
3．2 无线模块
本文采用的无线收发芯片为德国Nanotron公司的NA5TR1，该芯片的工作频段为2．4 GHz的免授权频段，提供3个可自由调整中心频率的非重叠2．4 GHzISM频道和14个重叠的频道，提高了与现有2．4 GHz无线技术共存时的网络性能，具有125 Kb／s～2 Mb／s的可编程数据速率，0～33 dBm可调且支持扩展至20 dBm以上的可编程输出功率，高达大-97 dBm的接收灵敏度，具有节能的掉电模式，掉电模式下的最小电流≤2μA。
3．2．1 时钟晶振
NA5TR1工作时需要32．768 kHz和32 MHz两个时钟信号，32 MHz的时钟作为基带时钟的基准来产生线性调频信号，32．768 kHz时钟为实时时钟及实现掉电模式下的电源管理。为了使节点有一个更高的测距精度，基带的基准时钟必须稳定，即32 MHz的时钟信号必须稳定。为了确保时钟的稳定，本文中的32 MHz时钟采用了皮尔斯晶体振荡器。皮尔斯晶体振荡器稳定性能极好，Q值和特征阻抗都很高，低噪音，外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小，回路的标准性高。[p]
3．2．2 巴伦滤波
巴伦即平衡／不平衡转换器BALUN(Balanced-unbalanced Transformer)，其作用是将平衡信号转换到不平衡信号或反之。NA5TR1的射频收发端口经过阻抗变换后接巴伦的平衡段，巴伦的不平衡端接带通滤波器，带通滤波器截止除了CSS信号带宽以外的信号。本文中采用的带通滤波器下限截止频率为2．4 GHz，上限截止频率为2．5 GHz。
3．3 处理器模块
处理器的型号选择关系到定位节点的工作性能。本文采用的处理器型号是单片机ATmega128L。该款单片机是基于AVR RISC结构的8 b低功耗CMOS微处理器，自带128 KB的可编程FLASH，在本应用中无需外扩存储器；同时，该单片机拥有空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式6种睡眠模式，能有效地降低节点的功耗。处理器模块中有一个RS 232接口，一个JTAG接口，一个SPI接口以及一些预留的数字接口。单片机通过SPI接口实现对NA5TR1的初始化以及控制；RS 232接口实现节点同上位机之间的通信；JTAG接口实现对单片机程序的烧写。

4 节点实现
图4是节点的实物图，其中(a)是无线模块电路的实物图，该电路板为4层板；(b)是处理器电路板的实物图，处理器电路板为2层板。无线模块电路的第1层为信号层，第2层为接地层，第3层为电源层，第4层为信号层，以使得到更高质量的射频信号；另外，为了使节点方便移动人员的携带，无线模块电路上的元件都采用贴片封装，如电容电阻等均采用0402封装来减小节点体积。

5 结语
针对目前化工行业的发展趋势和室内定位技术的发展现状，本文设计了一种利用线性调频扩频技术进行测距的定位节点，该节点功耗低、测距精度高，其优越的传输距离以及抗干扰能力让他能有效地应用于室内的人员追踪定位。同时，该节点除了用于定位也能用于其他无线传感器网络适用的领域，必将对无线传感器网络的发展起到积极作用。