基于AT86RF233的室內定位系統

李飛，高瑜翔，焦啟源，李曉輝

（成都信息工程大學通信工程學院，四川成都610225）

基于AT86RF233的室內定位系統

李飛，高瑜翔，焦啟源，李曉輝

（成都信息工程大學通信工程學院，四川成都610225）

為了解決室內定位不準確、成本高、安裝不方便等問題，提出了一種基于AT86RF233相位差測距的二維定位系統。系統由上位機、網關、基站、協調器、終端五部分組成，通過測量4個基站到終端的距離實現定位。由C#編寫的上位機軟件控制定位的啟動和停止，執行定位算法和在一個圖形界面上實時顯示終端的所處位置。實驗表明本系統具有部署簡單、低成本、定位精度較好等優點。

無線通信；室內定位；相位差測距；支持自組網

隨著物聯網的日趨發展，室外定位的技術成熟和人們對高質量生活的不斷需求，越來越多的人投入到對室內定位的研究?，F在的室內定位技術主要有:超寬帶、超聲波、紅外線、RFID，Zigbee等［1］。這些定位技術各有缺點：超寬帶定位需要基站的精準時間同步，超聲波定位為滿足精度需大量底層硬件設施成本較高，紅外線定位直線視距和傳輸距離較短，RFID定位結構復雜需要在現場布置大量參考標簽，而基于信號場強的Zigbee定位穩定性和精度都比較低。因此一種低成本，高精度，部署方便的室內定位系統就將具有很大的意義。由于采用GPS載波相位差分技術的室外定位甚至可以在動態定位中達到厘米級的精度［2］，所以本文的定位系統考慮通過測量無線信號發送和接收時刻相位差值計算出距離從實現定位。由ATEML公司設計的無線芯片AT86RF233具有支持相位差測距功能配合其官網相位差分測距應用能夠容易實現基站對終端的距離測量，其還有價格低、體積小等優點，所以為本系統首選無線芯片。

1　相位差測距的實現

如果能夠測量出基站在i時刻發送的載波信號相位θi與定位終端在j時刻接收到的該信號相位θj的差值θj-θi和此過程中相位經歷的整周相位數N，則有公式：

公式中d為基站與終端的距離，λ為電磁波在空氣中的傳播速度。但是在單個基站和單個終端的通信中，如何測量或消除初始相位θj和整周相位N是一個算法難點，本文中不論述該算法的原理。本系統是基于ATMEL公司相位差分測距應用的二次開發。由ATMEL公司設計的2.4G收發一體的無線芯片AT86RF233支持相位差分測距功能。AT86RF233內部PHY_PMU_VALUE寄存器值為捕獲到的載波信號相位與本地再現參考信號相位差值，配合對ATMEL官網上提供RTB（Rang tool box）軟件包里的相位差分測距LIB移植可實現單個基站與終端間的距離測定。

2　定位算法

本系統采用4個基站，其坐標分別為S1（x1，y1），S2（x2，y2），S3（x3，y3），S4（x4，y4）；d為移動終端P（x，y）到4個基站的測量距離，可構建如下方程：

將（3），（4），（5）分別減（2）可得方程（6），（7），（8）：

對方程（6），（7），（8）采用最小二乘法求解［3］可得定位終端的坐標為：

3　系統組成

本文的定位系統如圖1，由上位機、網關節點、基站節點、協調器節點和定位終端節點五部分構成?；緦崿F對定位終端的距離測定。網關實現基站和上位機的數據交互。上位機負責定位的啟動和終止定位算法的實現、定位結果的圖形顯示。協調器的功能等同于中繼，在遠距離測距中作為基站和中繼的橋梁。

圖1　系統組成結構

4　硬件設計

為實現小體積應用，本系統主機或基站等節點僅由單片機最小系統、E2PROM模塊和無線模塊三部分構成，如圖2所示。

圖2　基站節點硬件構成

其中MCU采用ATXMEGA256A3［4-5］單片機作為控制芯片，其工作電壓為1.6～3.6 V，含有8事件通道系統。該功能可靈活實現多類外部事件觸發到多類內部事件的硬件執行，在應用中提高了系統運行效率。

存儲模塊芯片采用AT24C512C，其功能主要是對系統的配置參數（如：本機地址，信道頻率，發射功率等）進行存儲，避免掉電后，繁瑣的重配置工作。

無線模塊芯片采用AT86RF233，其不僅支持相位差分測距還硬件支持IEEE802.15.4協議如自動應答、協議過濾等；AT86RF233接收靈敏度為-101DBM，工作環境為-45～80度，并具有超低功耗，在深度睡眠下可低至20 na，最大功率發射下也才13.8 ma。

為減小多徑干擾的影響，AT86RF233天線分集功能支持通過對兩根天線的控制來選擇有效信號傳輸路徑，在DIG1、DIG2管腳會輸出一對差分信號用于控制天線。本系統中每個節點使用了一對天線，兩跟天線方向正交，通過外接射頻開關控制天線的選通。

5　軟件設計

5.1軟件結構

本系統通信協議滿足IEEE802.15.4標準，可方便以后將本系統擴展為基于此協議的Zigbee、6Lowpan等自組網定位系統。軟件結構如圖3所示：應用層向底層提出或是完成測距、定位等各類應用。MAC完成IEEE802.15.4標準指定功能包括協議格式幀數據的解析和封裝等等。內存和隊列管里單元管理各層對內存空間的申請使用和各類事件［6］。PHY層實現IEEE802.15.4規定電氣信號的物理連接等。

圖3　軟件框架

5.2定位協議

本系統采用自定位協議控制定位過程實現，在通信中本協議內容屬于IEEE802.15.4規定MPDU［7］（協議數據單元的）的MSDU（服務數據單元）。每個指令的協議內容為：首先是3字節協議ID（由LCT3個字符表示），然后是1字節指令ID，根據指令ID后面可添加定位模式、移動終端地址等字節單元，最后是1字節序列號和2字節CRC校驗。其中0x11表示手動定位模式，0x12表示自動定位模式其后面不需要接終端地址。0x22表測距成功，0x21表示測距失敗其后面不需要添加距離數據。在自動定位模式時網關會在不同時刻向某一基站發送相同的指令，由于各類原因很可能造成后一時刻終端返回數據是對前一刻基站指令的響應，讓基站產生誤判造成數據時間錯位。本設計中采用序列號對比：基站發送含序列號的指令，每次發送時序列號改變，終端返回帶序列號的數據，當雙方的序列號一致時基站判斷數據有效。協議格式如表1所示。

5.3通信防碰撞處理

由于室內面積較小，當兩個節點通信時，其他節點也可能同時收到它們的信息，通信碰撞不容忽略。本系統從3個方向進行了防碰撞處理。

5.3.1CSMA-CA算法的執行

IEEE802.15.4規定的MAC通信防碰撞處理機制在本系統中由AT86RF233芯片硬件自動完成［8］。其中心思想為：每次發送數據前對當前信道進行評估，如果當前信道空閑則發送，否則隨機延遲一段時間后再次對當前信道評估；然后重復執行上述步驟直到重復執行次數達到設定的最大值（AT86RF233相關寄存器可設，最大次數＜7）后，則不管當前信道如何都發送數據。

表1　自定義定位協議格式

5.3.2協議類型過濾

AT86RF233有對IEEE802.15.4協議硬件過濾功能。其原理為對接收到的MAC幀頭數據解析：根據FCF字節檢查協議類型和版本號，然后將地址域里的終端地址及PAN ID等與本機匹配；當以上條件都滿足時該幀數據通過，否則丟棄，以上功能由芯片硬件自動完成。

5.3.3軟件設計防碰撞處理

在程序中，也對防碰撞做了處理：程序設計對接收到的數據源地址進行判斷，只有該地址為程序邏輯需求地址時數據才有效。

5.4網關軟件設計

網關初始化工作完成后，就開始監聽上位機發送串口數據。收到停止命令時停止定位；收到啟動定位指令時，網關就向第一個基站發送測距指令并將測得距離數據返回給上位機，接著向第二個基站測送測距指令，并依次循環。工作流程如圖4所示。

圖4　網關工作流程

5.5基站軟件設計

基站初始化后，AT86RF233就進入監聽狀態；當收到網關測距指令后就執行對終端的距離測量。測距流程如圖5所示。

5.6上位機軟件設計

上位機通過串口向網關發送控制指令，負責定位的啟動和終止，并通過串口搜集來自網關的測距數據執行定位算法和圖形顯示定位目標的位置，軟件結構如圖6所示。

6　測試結果與分析

6.1動態定位測試

在發射功率為0 dbm，室內面積大小位為8 m*8 m的環境下，手持移動終端節點在室內走一個圈，測試結果如圖7所示。

可以看出界面顯示了一個較為平滑的閉合圖形；說明本系統在較小的室內面積下，有較好的動態定位效果。

圖5　基站工作流程

圖6　上位機工作流程

圖7　動態定位測試效果

6.2定位精準度測試

在發射功率為0 dbm不使用中繼的情況下，測得單個基站的通信半徑為40 m所以估算出此情形下系統的無盲點定位面積為28 m*28 m。在該面積內實施定位測量，結果如表2所示。

表2　定位測試數據

由上表可以看出在良好環境中遠距離定位誤差大于近距離定位誤差，這反應了信號強弱對定位精度的影響；而當處于狹小空間復雜環境內定位誤差隨空間大小變化不明顯，此時影響定位精度的主要因素應是內部環境復雜度。

7　結論

本文提出的室內定位系統方案僅由幾個節點就可完成，節點體積小現場布置容易，系統定位精度較好，在一些對精度要求不高的場合可以實現低成本應用。且本系統通信協議滿足IEEE802.15.4標準，軟件采用分層結構，系統不僅可以用于定位，也可用于個人無線局域網絡的實現。

［1］汪苑，林錦國.幾種常用室內定位技術的探討［J］.中國儀器儀表，2011（2）:54-57.

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［3］楊俊，武奇生.GPS基本原理及其Matlab仿真［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

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［8］Ateml公司.AT86RF233技術手冊［EB/OL］.［2014-07］.http:// www.atmel.com/Images/Atmel-8351-MCU_Wireless-AT86 RF233_Datasheet.pdf.

Indoor position location system based on AT86RF233

LI Fei，GAO Yu-xiang，JIAO Qi-yuan，LI Xiao-hui
（Communication Engineering Institute，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

To solve problems like inaccuracy，high-cost and inconvenience of installing in indoor position system，a twodimensional indoor position system based on AT86RF233 of phase difference measurement is designed.The system consists of five parts:upper computer，gateway，base station，coordinator and terminal and it can realize the positioning by measuring the distance between four base station and terminal.The upper computer software compiled by C#controls starts and stops of location，executes position algorithm and displays real-time location of the terminal on GUI.The test shows that the system has the advantages of simple deployment，low cost and good positional accuracy.

wireless communication；indoor position location；phase difference ranging；support ad hoc networks

TN98

A

1674－6236（2016）12-0108-03

2015-07-07稿件編號：201507060

李飛（1983—），男，四川綿陽人，碩士研究生。研究方向：無線通信及移動互聯網。