本發(fā)明涉及定位技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及基于聲波和無線定位的移動目標(biāo)的檢測方法。

背景技術(shù)：

隨著無線終端設(shè)備和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展與結(jié)合應(yīng)用，人們對定位服務(wù)的需求日益增多，特別是室內(nèi)定位服務(wù)。在目前室內(nèi)定位技術(shù)的研究中，二維平面的室內(nèi)定位技術(shù)居多，而三維空間的室內(nèi)定位技術(shù)研究則相對較少，但在實(shí)際定位需求中，二維平面的室內(nèi)定位技術(shù)往往不能滿足用戶對位置信息的需求，如在災(zāi)后救援中，被困人員所處的位置不可能只在二維平面上，必須使用三維空間的室內(nèi)定位技術(shù)才能在第一時(shí)間獲得被困人員的具體位置信息；在礦井安全監(jiān)測中，由于井下環(huán)境較為復(fù)雜，人員工作地點(diǎn)比較分散，導(dǎo)致二維平面的室內(nèi)定位方法并不適用，只有使用三維空間的室內(nèi)定位技術(shù)才能夠準(zhǔn)確了解井下情況；在室內(nèi)環(huán)境檢測中，由于不同的監(jiān)測傳感器所放置的位置不相同，也需要使用三維空間的室內(nèi)定位技術(shù)才能獲取監(jiān)測傳感器有效的位置信息。因此，三維空間的室內(nèi)定位技術(shù)與二維平面的室內(nèi)定位技術(shù)相比，更具有實(shí)際意義和應(yīng)用前景。

常見的室內(nèi)定位技術(shù)有：紅外線定位、無線局域網(wǎng)絡(luò)定位、藍(lán)牙定位、Zigbee定位、射頻識別定位、超寬帶定位以及超聲波射頻定位等。紅外線定位技術(shù)的定位精度具有局限性，只能判斷移動目標(biāo)的有無性，在精度上很難提高，且紅外線的穿透性差，很難穿透墻壁等實(shí)體障礙物。無線局域網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)需要的基站少，可實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)的無線局域網(wǎng)絡(luò)對位置的感知功能，但跟蹤定位環(huán)境必須支持無線局域網(wǎng)絡(luò)，在條件上具有限制性，而且每個(gè)基站和移動目標(biāo)都必須是計(jì)算機(jī)設(shè)備，設(shè)計(jì)成本比較高。藍(lán)牙定位技術(shù)適用于小范圍定位，設(shè)備體積小，但價(jià)格相對昂貴，在復(fù)雜的室內(nèi)空間中，該系統(tǒng)受噪聲信號的干擾大，穩(wěn)定性會有所降低。Zigbee定位技術(shù)主要適合用在自動操作和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，可嵌入于各種設(shè)備中，具有自組織性、低復(fù)雜度、低功耗、近距離性、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點(diǎn)，但同樣也受定位精度的限制。RFID定位技術(shù)具有體積小、攜帶靈活、成本低的特點(diǎn)，但它受定位時(shí)間、定位精度以及室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜度等條件的限制，適用于對精度要求不高的場合。超寬帶定位技術(shù)采用極窄脈沖的時(shí)間寬度，它沒有視距要求，系統(tǒng)復(fù)雜度低、具有穿透力強(qiáng)、安全性高、抗多徑干擾效果好、定位精度精確等優(yōu)點(diǎn)。然而目前，國內(nèi)的超寬帶定位技術(shù)僅僅在雷達(dá)方面有所研究成效，在其他領(lǐng)域方面基本沒有形成研究規(guī)模；而且相對其他室內(nèi)定位方法，超寬帶技術(shù)用于室內(nèi)定位系統(tǒng)的造價(jià)成本較高、功耗也較高。超聲波射頻定位技術(shù)的定位精度能夠達(dá)到厘米量級范圍，同時(shí)使用者具有自我保密性以及對多個(gè)分散物體的可測量性，但是由于超聲脈沖和射頻數(shù)據(jù)的定時(shí)和處理都在移動接收器上，會導(dǎo)致缺少系統(tǒng)中心監(jiān)控和管理，增加移動接收器的計(jì)算負(fù)擔(dān)，同時(shí)要求電力承載能力要大。

在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在定位設(shè)計(jì)成本高，定位不準(zhǔn)確等缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出基于聲波和無線定位的移動目標(biāo)的檢測方法，以實(shí)現(xiàn)提高對移動目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性，降低定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于聲波和無線定位的移動目標(biāo)的檢測方法，主要包括：

a.系統(tǒng)初始化；

b.基站的超聲波發(fā)射器和射頻發(fā)射模塊向移動目標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)射超聲波和射頻信號；

c.移動目標(biāo)的射頻接收模塊接收射頻信號后，開始計(jì)時(shí)等待接收超聲波信號，并對接收的無線數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，以區(qū)分是哪一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)；

d.進(jìn)行坐標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，得出移動目標(biāo)的坐標(biāo)；

e.使用卡爾曼濾波方法進(jìn)行位置動態(tài)估計(jì)；

f.將所得數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，由基站發(fā)送到上位機(jī)。

進(jìn)一步地，所述基站設(shè)置為3個(gè)，移動目標(biāo)設(shè)置為1個(gè)。

進(jìn)一步地，每個(gè)基站發(fā)射的射頻信號包括該參考節(jié)點(diǎn)的唯一空間ID、坐標(biāo)和測量的溫度。

進(jìn)一步地，所述步驟e包括，

預(yù)測過程:

$m_{\stackrel{-}{k}}=A_{k-1}{m}_{k-1}$

$P_{\stackrel{\‾}{k}}=A_{k-1}{P}_{k-1}{A}_{k-1}^T+Q_{k-1}$

其中，和分別是觀測前k時(shí)刻的狀態(tài)預(yù)測平均值和均方差，P_k-1是k-1時(shí)刻的均方差，Q_k-1是k-1時(shí)刻的過程噪聲，

更新過程:

$v_k=y_k-H_k{m}_{\stackrel{\‾}{k}}$

$S_k=H_k{P}_{\stackrel{\‾}{k}}{H}_k^T+R_k$

$K_k=P_{\stackrel{\‾}{k}}{H}_k^T{S}_k^{-1}$

$m_k=m_{\stackrel{\‾}{k}}+K_k{v}_k$

$P_k=P_{\stackrel{\‾}{k}}-K_k{S}_k{K}_k^T$

其中，v_k是k時(shí)刻的殘余誤差，S_k是k時(shí)刻的測量預(yù)測協(xié)方差，R_k是k時(shí)刻的測量噪聲，K_k是濾波增益，m_k和P_k分別是觀測后k時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)平均值和均方差；

假設(shè)在室內(nèi)環(huán)境中，移動目標(biāo)處于勻速直線運(yùn)動方式，它的狀態(tài)可以用離散勻速模型來表述，運(yùn)動狀態(tài)會受到一定程度的隨機(jī)噪聲干擾。對于移動目標(biāo)來說，定位的狀態(tài)模型函數(shù)應(yīng)為X_k＝[x_k,y_k,z_k]^T，測量模型函數(shù)是：

$h\left(X_k\right)={\[\sqrt{{(x_1-x_k)}^2+{(y_1-y_k)}^2+{(z_1-z_k)}^2+{h_0}^2}\mathrm{...}\sqrt{{(x_n-x_k)}^2+{(y_n-y_k)}^2+{(z_n-z_k)}^2+{h_0}^2}\]}^T$

假設(shè)該移動目標(biāo)的運(yùn)動軌跡是x軸在0-6m，y軸在0-2.5m，Z軸在0-1.5m范圍內(nèi)的非線性運(yùn)動曲線，選取x軸作為參照軸，x軸每間隔1cm則有一測量點(diǎn)(x,y,z)，共600個(gè)測量點(diǎn)，可以建立x、y、z軸之間的函數(shù)關(guān)系，得到原始信號的實(shí)際值和測量值的數(shù)據(jù)曲線；同時(shí)在系統(tǒng)中添加獨(dú)立存在的高斯過程噪聲和測量噪聲，得到原始信號的濾波數(shù)據(jù)曲線。

進(jìn)一步地，所述射頻模塊發(fā)射射頻信號和接收射頻信號的工作過程具體為：

A1、對射頻模塊的控制芯片和收發(fā)芯片初始化，并設(shè)置相應(yīng)寄存器為SPI通信；

A2、單片機(jī)產(chǎn)生發(fā)送信號給射頻模塊；

A3、射頻模塊通過寄存器設(shè)置發(fā)送位，再經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器、壓控振蕩器和功率放大管放大信號將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；

A4、移動目標(biāo)的接收端產(chǎn)生接收信號，經(jīng)過低噪聲放大器和自動增益控制放大器反饋后通過調(diào)制解調(diào)器解碼，通過SPI通信反饋一個(gè)數(shù)字信號，在信號放大階段，該信號與信號強(qiáng)度指示的信號進(jìn)行比較傳遞給調(diào)制解調(diào)器；

A5、接收的數(shù)據(jù)存儲在緩存器中，并與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，是否完整通過LED燈來判斷。

本發(fā)明各實(shí)施例的，由于主要包括：基站的超聲波發(fā)射器和射頻發(fā)射模塊向移動目標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)射超聲波和射頻信號；移動目標(biāo)的射頻接收模塊接收射頻信號后，開始計(jì)時(shí)等待接收超聲波信號，并對接收的無線數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，以區(qū)分是哪一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)；對移動目標(biāo)的坐標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，得出移動目標(biāo)的坐標(biāo)；使用卡爾曼濾波方法進(jìn)行位置動態(tài)估計(jì)；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中對移動目標(biāo)定位不準(zhǔn)確，定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本高的缺陷，具有定位精確，成本低，定位方法簡單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。

下面通過實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

具體實(shí)施方式

以下對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

具體地，方案的主要研究目的是給室內(nèi)環(huán)境的移動人員或物體提供精度在厘米量級范圍的實(shí)時(shí)動態(tài)定位，并給使用者提供可靠性、可測量性、保密性等功能，同時(shí)要求具有合理的性價(jià)比，確保較低的設(shè)計(jì)成本。

室內(nèi)定位的定位參數(shù)是待定位物的三維坐標(biāo)。該定位系統(tǒng)的主要原理是，根據(jù)三邊測量法，首先通過超聲測距的方法分別測量出某個(gè)或多個(gè)待定位節(jié)點(diǎn)到已知參考節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離，另外，已知節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理后，計(jì)算得到移動目標(biāo)的定位坐標(biāo)結(jié)果。

參考節(jié)點(diǎn)分別被固定在天花板上的不同位置，但我們實(shí)際測試的時(shí)候，是將參考節(jié)點(diǎn)以等邊三角形的布局方式固定在房間地面。待定位節(jié)點(diǎn)則是被安裝在移動目標(biāo)上，并且是可以四周隨機(jī)移動的。已知參考節(jié)點(diǎn)的布局必須遵循一定的幾何要求，不能同時(shí)分布在一條直線上，也不能分布在一個(gè)同心圓上，否則，形成的方程組未知量個(gè)數(shù)就會大于已知量數(shù)目，導(dǎo)致無法利用三邊測量的最小二乘法進(jìn)行計(jì)算。

超聲波測距的原理是由于超聲波在空氣中的傳播速度是已知的，在超聲發(fā)射器發(fā)送超聲波后，經(jīng)過一段傳播時(shí)間，接收器接收到信號，這段傳播時(shí)間即為發(fā)送和接收的時(shí)間差，然后根據(jù)距離與時(shí)間和速度之間的關(guān)系，可以計(jì)算出發(fā)送和接收點(diǎn)之間的實(shí)際距離。

測距的基本公式如下:

d＝v_ust

其中，d表示發(fā)送和接收點(diǎn)之間的實(shí)際距離，v_us表示超聲波在空氣中的傳播速度，一般當(dāng)室內(nèi)溫度在20℃時(shí)傳播速度為344m/s，t表示發(fā)射和接收v_us的測距時(shí)間。

由此可見，造成測距誤差的基本影響因素主要包括超聲波的傳播速度及發(fā)送和接收的測距時(shí)間。一方面，超聲波的傳播速度受空氣密度的影響，空氣的密度越高，超聲波的傳播速度就越快，然而空氣的密度又與溫度、濕度有著密切的關(guān)系，因此，溫度、濕度等對超聲波的傳播速度有影響，即對超聲測距產(chǎn)生影響。所以，可以通過對溫度和濕度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞絹硇拚齻鞑ニ俣?，進(jìn)而提高測距的精度。另一方面，在軟件實(shí)現(xiàn)的過程中，通過計(jì)數(shù)器來完成對發(fā)送和接收測距時(shí)間的計(jì)時(shí)。超聲發(fā)射和接收器的分離布局會造成測距時(shí)間的計(jì)時(shí)延遲，要提高計(jì)數(shù)時(shí)間的精度，則需要對超聲波發(fā)射器和接收器之間進(jìn)行同步處理，即要求保證發(fā)射器信號發(fā)出的瞬間，接收器能夠立刻計(jì)數(shù)。本文采用射頻信號作為內(nèi)部同步信號，主要是因?yàn)樯漕l信號的速度接近光速，其傳播時(shí)間足夠短可以忽略不計(jì)，并且可以在硬件上得以實(shí)現(xiàn)。

使用的無線測距芯片是恩智浦(NXP)的JN5168。該IC測距有兩種模式：無線信號強(qiáng)度測距和TOF無線信號飛行時(shí)間測距。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，無線信號強(qiáng)度測距的誤差很大，很難滿足課題需求，而TOF無線信號飛行時(shí)間測距則精度要高許多，所以本作品采用的是TOF(Time of Flight)飛行時(shí)差測距的方法。在設(shè)備工作過程中，始終保持發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步，為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，TOF飛行時(shí)差測距方法采用了時(shí)鐘偏移量來解決時(shí)鐘同步上的問題。但由于TOF測距方法的時(shí)間依賴于本地和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，測距精度容易受兩端節(jié)點(diǎn)中時(shí)鐘偏移量的影響。為了減少這類錯誤的影響，很多時(shí)候采用反向測量方法，即遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包，并自動響應(yīng)，通過平均在正向和反向所得的平均值，減少對任何時(shí)鐘偏移量的影響，從而減少測距。

根據(jù)該系統(tǒng)中移動目標(biāo)上的待定位節(jié)點(diǎn)獲得各個(gè)測距值以及各個(gè)已知參考節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值所構(gòu)成的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，然而這些測距值和已知參考節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值是分散在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的，需要集中到同一節(jié)點(diǎn)上才能通過數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算?？紤]到室內(nèi)的布局復(fù)雜，如果采用有線布局，勢必會更加復(fù)雜，增加系統(tǒng)定位的困難程度，而且不利于待定位節(jié)點(diǎn)的移動、線路布置等。隨著無線電射頻技術(shù)的發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢比較明顯，因此，文中采用無線傳輸方式替代有線傳輸方式，使得定位系統(tǒng)利于控制和簡便化。

無線數(shù)據(jù)傳輸，一般也就是無線通信，是指從一個(gè)地方向另一個(gè)地方進(jìn)行傳遞和交換信息。實(shí)現(xiàn)信息傳遞的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸介質(zhì)，統(tǒng)稱為通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本組成部分，包括發(fā)送端、接收端，以及收發(fā)兩端之間的信道。

基帶信號一般是指沒有經(jīng)過調(diào)制等處理方式的初始信號，該信號的頻率較低，為了使基帶信號能夠在信道中傳輸，使之與信道的傳輸特性要求相匹配，可以通過發(fā)送裝置對基帶信號進(jìn)行各種變換和處理，其中，發(fā)送裝置可以是由特定的放大、濾波、調(diào)制等電路組成的系統(tǒng)。信道是信號傳輸?shù)奈锢硗ǖ?，信道中會存在許多不可忽略的隨機(jī)噪聲干擾，同時(shí)，整個(gè)通信系統(tǒng)中同樣也存在大量噪聲。在接收端，接收裝置的功能與發(fā)送裝置的相反，它能夠從接收到的信號中恢復(fù)出對應(yīng)的初始信號。信宿是指將還原的初始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的具有實(shí)際意義的數(shù)據(jù)信息。

由于射頻信號頻率足夠高可以在空間快速傳播，本文選用射頻信號作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中射頻信號可以攜帶坐標(biāo)信息、測距值、電路板及環(huán)境周圍的溫度值等。

根據(jù)移動目標(biāo)和已知參考節(jié)點(diǎn)的布局情況，系統(tǒng)的定位方案可以設(shè)計(jì)為：移動目標(biāo)主動發(fā)送信號和移動目標(biāo)被動接收信號兩種方式。

主動方式是指移動目標(biāo)上的待定位節(jié)點(diǎn)主動地周期性發(fā)射超聲波和射頻信息，參考節(jié)點(diǎn)接收并計(jì)算距離信息，然后再匯集信息到主控制模塊上進(jìn)行目標(biāo)位置的計(jì)算；主動方式可以避免錯誤信息的干擾，對移動目標(biāo)的定位較容易，而且精度較高，但是計(jì)算量較大，需要多次進(jìn)行信息的無線傳輸，增加了設(shè)備的使用量和設(shè)計(jì)成本。

被動方式是指固定在特定位置的參考節(jié)點(diǎn)周期性地將它們的位置信息以及超聲波脈沖信號發(fā)送出去，然后待定位節(jié)點(diǎn)接收到來自每一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的信息，在移動目標(biāo)自身上計(jì)算出其目標(biāo)位置。被動方式中移動目標(biāo)一次只能接收來自一個(gè)已知參考節(jié)點(diǎn)的信號，不能同時(shí)計(jì)算與各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間的距離，而且各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號的間隔很小，勢必會導(dǎo)致不同參考節(jié)點(diǎn)間信息的相互干擾，增大了計(jì)算誤差，導(dǎo)致精度降低。但該定位方式只需要參考節(jié)點(diǎn)向移動目標(biāo)發(fā)送信息，移動目標(biāo)就能夠計(jì)算得到自身的目標(biāo)位置，節(jié)約了定位時(shí)間和設(shè)備的使用頻率，移動目標(biāo)的位置私密性較好。

本系統(tǒng)結(jié)合兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，采用一種組合方式，使兩者起到互補(bǔ)作用；

該組合方式的原理是：當(dāng)系統(tǒng)開始上電工作時(shí)，使用主動方式，通知參考節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送信號，定位啟動后，將一直采用被動方式進(jìn)行連續(xù)的動態(tài)定位，定位過程中可能會遇到定位誤差增大或者濾波誤差效果不好的問題，一旦檢測到系統(tǒng)狀態(tài)不佳，將再次切換到主動方式對定位進(jìn)行位置糾正。該方式可以得到和主動方式相當(dāng)?shù)臏y量精度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)移動目標(biāo)位置的保密性要求。不足的是，在被動定位時(shí)不同參考節(jié)點(diǎn)間的信息會相互干擾。針對這個(gè)問題系統(tǒng)將采取一定的抗干擾措施，減小系統(tǒng)的定位誤差。

由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理以及定位方式可知，該室內(nèi)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括若干已知參考節(jié)點(diǎn)、移動目標(biāo)裝置上的待定位節(jié)點(diǎn)等。該室內(nèi)定位系統(tǒng)對單目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)待定位節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，如果對多目標(biāo)定位時(shí)可以有若干個(gè)待定位節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)中各個(gè)已知節(jié)點(diǎn)和待定位節(jié)點(diǎn)分別包含硬件電路和軟件通信協(xié)議等內(nèi)容，已知信號在天花板上的節(jié)點(diǎn)硬件和移動目標(biāo)硬件之間的信號傳送，共同實(shí)現(xiàn)整體的定位功能。

硬件部分的作用是給定位系統(tǒng)提供控制、發(fā)送與接收的驅(qū)動電路，主要依據(jù)功能要求對硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)；其中，已知參考節(jié)點(diǎn)和移動目標(biāo)的待定位節(jié)點(diǎn)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件電路部分，分別包括射頻收發(fā)模塊、超聲波發(fā)射和接收器、單片機(jī)系統(tǒng)、電源模塊、上位機(jī)通訊部分等。單片機(jī)控制器通過接口程序控制各個(gè)模塊部分，實(shí)現(xiàn)正常的超聲波和射頻信號的收發(fā)、顯示、控制以及所需的各種參數(shù)的測試與監(jiān)視

定位算法主要是結(jié)合三邊測量法的最小二乘法進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)使用濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差的濾波處理，減少室內(nèi)環(huán)境的隨機(jī)噪聲給系統(tǒng)帶來的影響；另外，多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信必然存在信號之間的干擾，必須具備抗干擾措施，防止系統(tǒng)無法正常工作。

對于射頻模塊，選用JN5168無線控制器。JN5168是一款超低功耗、高性能的無線SOC模塊。它使用戶能在最短的時(shí)間內(nèi)，以最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于IEEE802.15.4或ZigBeePRO的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，減少了用戶進(jìn)行RF射頻設(shè)計(jì)和封裝的時(shí)間，具有簡單易用的特點(diǎn)。同時(shí)，該無線控制器還具有高性能的CPU、超低功耗、大容量存儲、優(yōu)異RF性能等特點(diǎn)。而且其包含了豐富的外圍器件接口，可以滿足不同方面的需求，降低開發(fā)成本。

JN5168兼容多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，支持點(diǎn)對點(diǎn)、星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等組網(wǎng)方式，能夠滿足各種標(biāo)準(zhǔn)以及非標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枨螅哂幸粋€(gè)平臺，多種方案的優(yōu)勢與特點(diǎn)。

該無線控制器配置了高性能的32位RISC處理器，內(nèi)嵌Flash和E2PROM，通過可變寬度指令、多級指令流水線、低功耗與可編程時(shí)鐘速度來提高代碼效率。同時(shí)片上還具有一個(gè)符合IEEE802.15.4 2.4GHz標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器以及一系列豐富的模擬、數(shù)字外設(shè)。配合超低的工作電流和低功耗睡眠特性，可以使設(shè)備利用紐扣電池供電并延長電池的壽命。

與芯片同時(shí)推出的還有一系列滿足各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線組網(wǎng)協(xié)議棧，例如JenNet-IP、ZigBee Pro Home Automation、ZigBee Pro Light Link、ZigBee Pro Smart Energy和ZigBee RF4CE等協(xié)議棧；極大地簡化了使用JN516x系列無線微控制器開發(fā)家庭自動化、智能能源、智能照明、智能醫(yī)療和遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用的難度，加快了開發(fā)進(jìn)度。

A7139芯片是臺灣笙科電子(AMICCOM)公司最近研制出的一款低成本、高效率工作在1GHz以內(nèi)的收發(fā)模塊，且在1GHz以內(nèi)所有常規(guī)ISM頻段均可應(yīng)用。此模塊目前已經(jīng)超大量應(yīng)用于國標(biāo)智能無線抄表及物聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)等雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)方案，該模塊具有低功耗、高接收靈敏度、高發(fā)射功率等諸多優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用于長短距離無線數(shù)據(jù)傳輸方案中的首選模塊。A7139可以通過射頻電路和天線實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收射頻信號的功能。

A7139主要利用RF0和RF1端口來發(fā)送和接收信號，經(jīng)過芯片內(nèi)部一些寄存器位來檢測是否發(fā)送和接收，當(dāng)然也包括通過設(shè)置相關(guān)SPI接口的寄存器來連接信號。單片機(jī)輸出或者輸入的數(shù)字信號都需要對A7139中SPI寄存器相應(yīng)的功能位進(jìn)行設(shè)置從而產(chǎn)生相應(yīng)促發(fā)接收或者發(fā)射的信號，然后進(jìn)行調(diào)制解調(diào)器的分析，經(jīng)過壓控振蕩器(VCO)和功放管(PA)來放大信號進(jìn)行發(fā)射。接收方式時(shí)，接收的射頻輸入信號經(jīng)低噪聲放大器(LNA)和自動增益控制放大器(AGC)反饋調(diào)節(jié)放大后翻轉(zhuǎn)進(jìn)入混頻器，通過混頻器混頻產(chǎn)生中頻信號(IF)。在中頻處理階段，該信號同時(shí)發(fā)送信號給ADC寄存器，設(shè)置相應(yīng)寄存器位和接收的信號強(qiáng)度(RSSI)指示的控制寄存器。這種特殊的結(jié)構(gòu)確定了室內(nèi)定位系統(tǒng)可以使用控制器單片機(jī)芯片對A7139進(jìn)行收發(fā)狀態(tài)的選擇和控制，它們之間可通過SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

射頻模塊主要是無線通信，STM8與A7139通過SPI口通信。硬件上將A7139的CKO、GPIO1和GPIO2與STM8的PB0、SPI_MISO和PD0引腳相連，還有SDIO、SCK和SCS引腳與STM8的SPI_MOSI、SPI_SCK和SPI_NSS引腳連接，單片機(jī)通過將SCS引腳置低電平來訪問A7139相關(guān)寄存器，在SCK的上升沿時(shí)SPI的數(shù)據(jù)將會被鎖存在寄存器中，因此想要發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)處在SCK的下降沿時(shí)。還存在一下A7139的外圍電路，主要的設(shè)計(jì)依據(jù)是根據(jù)它的頻率進(jìn)行設(shè)置，本文采用的是433MHz，基本的外圍電路該硬件電路主要包括濾波電容、旁路電路和RF匹配、濾波、電源藕合、SPI接口設(shè)計(jì)等。

室內(nèi)定位系統(tǒng)主要是對室內(nèi)攜帶有移動射頻標(biāo)簽的移動目標(biāo)進(jìn)行位置定位，需要完成信息的采集、傳輸、處理和顯示。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要包含RFID信息采集系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、定位數(shù)據(jù)中心和定位顯示系統(tǒng)，其中，RFID信息采集系統(tǒng)主要通過RFID讀寫器對多個(gè)移動目標(biāo)上攜帶的RFID標(biāo)簽進(jìn)行信息的采集和數(shù)據(jù)的傳輸；無線傳輸系統(tǒng)是將RFID讀寫器傳輸過來的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)男问絺鬟f給定位數(shù)據(jù)中心；定位數(shù)據(jù)中心根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行移動目標(biāo)的位置估計(jì)定位和歷史數(shù)據(jù)的查詢；定位系統(tǒng)通過定位顯示界面進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和監(jiān)控室內(nèi)移動物體。

定位過程中，當(dāng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)和模塊正常上電后，就可以開始定位，參考節(jié)點(diǎn)將在定位過程中周期性地發(fā)射超聲波和射頻信號，移動目標(biāo)所在的待定位節(jié)點(diǎn)等待接收信號。移動目標(biāo)接收到射頻信號后，即實(shí)現(xiàn)了射頻同步，待定位節(jié)點(diǎn)開始計(jì)時(shí)等待超聲波信號的到達(dá)，同時(shí)分別對無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行判斷，以便區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來自哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后按照定位原理進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的射頻模塊周期性地發(fā)射射頻信號，包括的信息內(nèi)容主要由唯一的空間ID、坐標(biāo)和測量的環(huán)境溫度等組成。

結(jié)合射頻信號的內(nèi)容、發(fā)送和接收方式的要求，設(shè)計(jì)步驟主要如下：

1.對控制芯片和射頻芯片進(jìn)行初始化，設(shè)置相應(yīng)寄存器為SPI通信。

2.主芯片產(chǎn)生發(fā)送信號給射頻模塊。

3.射頻模塊通過寄存器設(shè)置發(fā)送位，再經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器、壓控振蕩器和功放管放大信號把緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

4.接收端產(chǎn)生接收信號，經(jīng)過低噪聲放大器和自動增益控制放大器反饋后通過調(diào)制解調(diào)器解碼，通過SPI通信反饋一個(gè)數(shù)字信號。在信號放大階段，該信號與信號強(qiáng)度指示(RSSI)的信號進(jìn)行比較傳遞給調(diào)制解調(diào)器。

5.接收的數(shù)據(jù)存儲在緩存器中，并與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，是否完整通過LED燈來判斷。

射頻信號的發(fā)送主要是由單片機(jī)輸出的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，然后通過信道編碼的方式轉(zhuǎn)變成數(shù)字基帶信號，再通過數(shù)字調(diào)制的方式將數(shù)字基帶信號變成數(shù)字頻帶信號，該數(shù)字頻帶信號可以通過天線發(fā)送到信道中。

射頻信號的接收過程，則與發(fā)送過程相反，先進(jìn)行數(shù)字解調(diào)將數(shù)字頻帶信號變成數(shù)字基帶信號，再進(jìn)行信道解碼，最后數(shù)據(jù)解碼，得到所需的數(shù)字信號。

在系統(tǒng)的定位過程中，由于信道中不可避免的存在加性噪聲，導(dǎo)致信道對無線通信具有十分重要的影響因素。加性噪聲與有用信號之間是獨(dú)立的相加關(guān)系，并且是始終存在的。信道中加性噪聲的來源比較廣泛，主要存在過程噪聲和測量噪聲兩種隨機(jī)的獨(dú)立噪聲，它們均是由熱噪聲、散彈噪聲等高斯白噪聲組成。

由于信號和噪聲均可能具有連續(xù)的功率譜，即使濾波器具有非常理想的頻率響應(yīng)，也不可能完全濾除掉噪聲，并且不能保證信號波形的不失真。因此，針對該室內(nèi)定位系統(tǒng)需要選擇一種能夠使誤差最小的濾波方法。目前，最好的濾波方法就是通過設(shè)計(jì)出最優(yōu)的濾波理論來實(shí)現(xiàn)信號的干擾噪聲處理。本文采用了卡爾曼濾波算法進(jìn)行去噪處理。

卡爾曼濾波是以最小均方誤差為估計(jì)的最佳準(zhǔn)則的一套遞推估計(jì)的算法,其基本思想是采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型,利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和現(xiàn)時(shí)刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計(jì),求出現(xiàn)時(shí)刻的估計(jì)值。

濾波算法中采用的是離散濾波模型:

x_k＝A_k-1x_k-1+q_k-1

y_k＝H_kx_k+r_k (2)

其中，x_k是k時(shí)刻的狀態(tài)值，y_k是k時(shí)刻的測量值，A_k-1是k-1時(shí)刻的狀態(tài)模型轉(zhuǎn)移矩陣，q_k-1是k-1時(shí)刻的過程噪聲，H_k是k時(shí)刻的測量模型測量矩陣，r_k是k時(shí)刻的測量噪聲。

卡爾曼濾波過程主要分為兩個(gè)步驟:

預(yù)測過程：

$m_{\stackrel{-}{k}}=A_{k-1}{m}_{k-1}$

$P_{\stackrel{\‾}{k}}=A_{k-1}{P}_{k-1}{A}_{k-1}^T+Q_{k-1}$

其中，和分別是觀測前k時(shí)刻的狀態(tài)預(yù)測平均值和均方差，P_k-1是k-1時(shí)刻的均方差，Q_k-1是k-1時(shí)刻的過程噪聲，

更新過程:

$v_k=y_k-H_k{m}_{\stackrel{\‾}{k}}$

$S_k=H_k{P}_{\stackrel{\‾}{k}}{H}_k^T+R_k$

$K_k=P_{\stackrel{\‾}{k}}{H}_k^T{S}_k^{-1}$

$m_k=m_{\stackrel{\‾}{k}}+K_k{v}_k$

$P_k=P_{\stackrel{\‾}{k}}-K_k{S}_k{K}_k^T$

其中，v_k是k時(shí)刻的殘余誤差，S_k是k時(shí)刻的測量預(yù)測協(xié)方差，R_k是k時(shí)刻的測量噪聲，K_k是濾波增益，m_k和P_k分別是觀測后k時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)平均值和均方差。

假設(shè)在室內(nèi)環(huán)境中，移動目標(biāo)處于勻速直線運(yùn)動方式，它的狀態(tài)可以用離散勻速模型來表述，運(yùn)動狀態(tài)會受到一定程度的隨機(jī)噪聲干擾。對于移動目標(biāo)來說，定位的狀態(tài)模型函數(shù)應(yīng)為X_k＝[x_k,y_k,z_k]^T，測量模型函數(shù)是：

在MATLAB中，模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室尺寸是10mx5mx3m，假設(shè)該移動目標(biāo)的運(yùn)動軌跡是x軸在0-6m，y軸在0-2.5m，Z軸在0-1.5m范圍內(nèi)的非線性運(yùn)動曲線。選取x軸作為參照軸，x軸每間隔1cm則有一測量點(diǎn)(x,y,z)，共600個(gè)測量點(diǎn)，可以建立x、y、z軸之間的函數(shù)關(guān)系，得到原始信號的實(shí)際值和測量值的數(shù)據(jù)曲線；同時(shí)在系統(tǒng)中添加獨(dú)立存在的高斯過程噪聲和測量噪聲，得到原始信號的濾波數(shù)據(jù)曲線。

結(jié)合上述的定位方法，首先，基于三邊測量法的原理，采用最小二乘法對移動目標(biāo)的坐標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，已經(jīng)可以避免較大的誤差和無解情況；然后，再使用卡爾曼濾波算法進(jìn)行位置動態(tài)估計(jì)，減少誤差，最終可以實(shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)移動目標(biāo)定位。

在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，射頻技術(shù)是一種關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)無線定位的必然手段，而且，射頻技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合的方式不同，定位效果不同，精度也不盡相同。本文采用的基于射頻技術(shù)與超聲波技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)方案，以及所采用的定位方式和濾波算法，是在所有定位方法中，定位精度相對最佳的。

分析定位三邊測量法的基本原理，采用節(jié)點(diǎn)冗余法以及最小二乘法來提高定位坐標(biāo)的精度；通過分析超聲波測距的原理，采用在發(fā)送端與接收端之間的射頻信號同步設(shè)置來提高測距的精度；射頻模塊同時(shí)充當(dāng)無線數(shù)據(jù)的傳輸媒介；定位方式采用的主動定位與被動定位方式相結(jié)合的方法，該方式靈活可靠，有利于動態(tài)定位。

在射頻模塊的設(shè)計(jì)中，主要采用低成本、低功耗、可編程A7139芯片，它的數(shù)據(jù)傳輸速率大，提供數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖等功能。利用STM8L051F3單片機(jī)對射頻模塊進(jìn)行發(fā)送和接收控制，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)穩(wěn)定性和工作可靠性。

由于在室內(nèi)環(huán)境中存在大量隨機(jī)噪聲的干擾，為進(jìn)一步提高定位的精度，濾除定位中包含的過程隨機(jī)噪聲和測量隨機(jī)噪聲對信號的干擾，本文采用卡爾曼濾波算法對信號進(jìn)行濾波處理，該方法相對于之前的測量結(jié)果來說，精度得到了提高。

至少可以達(dá)到以下有益效果：降低定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)提高了定位精度

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。