無線局域定位系統(tǒng)的分析與設(shè)計

引言
本文闡述的個人位置跟蹤系統(tǒng)是射頻識別系統(tǒng)(RFID)在個人定位上的應用，即利用無線鏈路的方式實現(xiàn)個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、基站和信息處理的數(shù)據(jù)庫?；驹硎峭ㄟ^定時發(fā)射基站發(fā)射同步時鐘信號，手持臺接收到該信號后，按照一定的次序同接收基站進行數(shù)據(jù)交換。交換完數(shù)據(jù)信息后，基站即時更新數(shù)據(jù)庫，并由管理PC機顯示，需要時可以報警。
空中鏈路安排
通常在進行無線接收系統(tǒng)設(shè)計之前，必須進行鏈路預算分析的演示。通過演示，可以預知在特定的輸出誤碼率(BER)和信噪比(SNR)下，為達到設(shè)計要求，接收機所需要的噪聲系數(shù)(NF)、增益、和發(fā)射機的輸出功率等。由射頻理論可知，信號的自由空間損耗：
L(dBm)=20log(4R/)=20log(4Rf/c)
式中：R為通信距離；f為信號頻率；c為光速。
當f以MHz為單位，R以km為單位時，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，故空中動態(tài)為1米至200米，即動態(tài)范圍為71.2-25.2＝46dB 。考慮到身體的不同方向衰減30dB，則動態(tài)范圍達46+30＝76dB。 當然，實際信號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償。  
手持臺的電路由兩部分組成：第一部分是單片機，其主要的功能是用于控制射頻RF模塊和保存與手持臺ID相關(guān)的信息。射頻模塊則負責接收和發(fā)射基站MCU送來的信號。由于手持臺采用電池供電，所以功耗、接收靈敏度以及低工作電壓是其重要的指標。

圖1  手持臺的軟件流程圖

圖2  復時發(fā)射基站電路框圖

手持臺重要的參數(shù)有：

手持臺的電路可以由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)藥應用方面實現(xiàn)在小范圍、短距離通信而設(shè)計。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算出使該芯片運行在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大的單片機。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。因此為手持臺節(jié)省能耗成為可能。另外通過MSP430微處理器可以完成對CC1000的各種工作狀態(tài)設(shè)置，方便快捷。由這兩個IC構(gòu)成的電路完全可以滿足手持臺的技術(shù)指標列舉如下：

手持臺的軟件流程圖如圖1所示。
基站的基本特性及軟硬件設(shè)計如下：

定時發(fā)射基站主要的作用是負責每隔一定時間發(fā)送一個同步時鐘信號給各個手持臺。手持臺接到信號后即開始用計時器開始計時，不同的手持臺計時時間可以通過修改程序使計時時間錯開，隨后進入休眠狀態(tài)，等待中斷喚醒。
一個區(qū)域只可安裝一個定時發(fā)射臺，如果需要多臺，則需要GPS定時。根據(jù)系統(tǒng)的需要，定時發(fā)射臺的作用距離為1km，由上文可知路徑損耗為85.2dB,接收靈敏度為-96dBm，加上30dB的保護能量，則接收機要求的能量為-96+33＝-66dBm。如果定時發(fā)射臺的天線是全向的，G＝30dB，則發(fā)射機的功率要大于(-66+85.2)dBm=19.2dBm。
按發(fā)射功率為1W來設(shè)計，設(shè)計的定時發(fā)射基站的電路框圖如2所示。

接收基站主要的作用是負責接收各個手持設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。并負責將所有的數(shù)據(jù)信息及時傳送給管理PC機，管理PC機根據(jù)這些信息即時更新數(shù)據(jù)庫。接收基站可以多點分布。
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，接收距離按200m來設(shè)計。手持臺的發(fā)射功率為0dBm,加上40dB的保護帶，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，則最低的可檢測輸入功率電平Pmin=-174+53＝-121dBm，此時前端濾波插入損耗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),同時要有可調(diào)衰減為20dB的自動增益控制電路AGC。
根據(jù)實際設(shè)計的需要，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。由于CC1000電源的電壓為3V，因此需要設(shè)計一個從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)，則定時發(fā)射基站和接收基站可以合二為一。這時基站的軟件流程圖如圖4所示。

功耗分析
在系統(tǒng)的設(shè)計中，由于手持臺使用紐扣電池作為系統(tǒng)供電方式。因此，手持臺的功耗是設(shè)計時重點考慮的問題之一，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)計的需要，定時發(fā)射基站每5s必須作一次定時發(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)送所需時間136×(1/19.2)×10-3=7ms，因而在間隔時間5s內(nèi)的總?cè)萘繛?5/7)×103=714 個，由于系統(tǒng)設(shè)計容量位256個，故系統(tǒng)容量足夠大。
手持臺接收到定時發(fā)射基站發(fā)出的定時信號后，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發(fā)射來的數(shù)據(jù)，即時更新數(shù)據(jù)庫，并將結(jié)果顯示或報警。
發(fā)射定時時序的間隔為5s，其中7ms用于發(fā)射(10.4mA)；另外的7ms用于接收(7.4mA)。一個手持機將用時間14ms。
故手持臺總的耗電量為：
720×7×(10.4+7.4)/3600000=0.02492 mA/小時 
900mA/小時的電池可以使用4.1年。當然，加上MCU的功耗，電池的使用時間將會降低。

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