一種符合ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)星型網(wǎng)絡(luò)的脈沖壓縮測(cè)距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)星型網(wǎng)絡(luò)的脈沖壓縮測(cè)距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 802. 15. 4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)是IEEE在2003年5月通過(guò)的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，以此標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無(wú) 線技術(shù)主要用于通信領(lǐng)域，能夠使星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的中心協(xié)調(diào)器（即PAN協(xié)調(diào)器）與多 個(gè)精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，在低功耗的同時(shí)具有信道能量檢測(cè)（ED)、鏈路質(zhì)量 指示（LQI)等功能和時(shí)隙保障（GTS)、載波偵聽（CSMA)、ACK機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)以保證可靠傳輸，被 大量應(yīng)用于家具自動(dòng)化，玩具及健康護(hù)理領(lǐng)域，也有一些利用以上優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行一對(duì)多測(cè)距功 能應(yīng)用的嘗試。然而，目前該標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用在ZigBee無(wú)線通信技術(shù)上，該技術(shù)在物理層的 載波調(diào)制上采用的是偏移四相移鍵控（OffsetQuadraturePhaseShiftKeying，0-QPSK) 方式，該方式主要側(cè)重于通信，傳輸距離約為10m~100m，在很多戶外場(chǎng)合不符合測(cè)距的要 求。脈沖壓縮是現(xiàn)代雷達(dá)測(cè)距應(yīng)用中會(huì)采用到的技術(shù)手段，通過(guò)發(fā)射大時(shí)寬帶寬積信號(hào)來(lái) 在提高雷達(dá)平均功率，提高作用距離的同時(shí)在接收端通過(guò)匹配濾波、解線性調(diào)頻等方式進(jìn) 行脈沖壓縮處理，將大時(shí)寬帶寬積信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)窄脈沖，提高距離分辨能力。
[0003] 對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索，在檢索到的國(guó)內(nèi)外公開及有限范圍發(fā)表 的文獻(xiàn)或?qū)＠?，檢索到二篇文獻(xiàn)資料。1、公開日期2010年11月3日，皇家飛利浦電子股 份有限公司，專利授權(quán)CN101023632B，《在主/從網(wǎng)絡(luò)和ADHOC網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)竊聽消息完成 傳輸時(shí)間測(cè)量》，介紹了通過(guò)使用竊聽獲得電子設(shè)備的距離或位置信息的方法，該專利的應(yīng) 用背景是典型的ZigBee技術(shù)，未見將IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)與脈沖壓縮方法相融合的介紹，其 應(yīng)用范圍也是家庭電子設(shè)備位置獲取，作用距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本發(fā)明所能達(dá)到的范圍。2、公開 日期2008年8月29日，電視廣播有限公司，公開號(hào)CN102204372A，《增強(qiáng)型室內(nèi)定位》，介紹 了如何在室內(nèi)環(huán)境中通過(guò)計(jì)算功率以及將其和參考量比較來(lái)確定電子移動(dòng)設(shè)備的當(dāng)前位 置，雖然同樣是應(yīng)用于IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)下的測(cè)距方法，其【具體實(shí)施方式】與本發(fā)明也是截 然不同的，僅按照功率來(lái)進(jìn)行位置估算，其精度之低是顯而易見的，且該發(fā)明也是局限于室 內(nèi)運(yùn)用。
[0004] 綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)未公開有將IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)與脈沖壓縮手段進(jìn)行融合從 而在星型網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多目標(biāo)測(cè)距的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)星型網(wǎng)絡(luò)的脈沖壓縮測(cè)距方法，在保留 了該IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議低復(fù)雜度、低功耗、低成本、一對(duì)多通信的基礎(chǔ)上，通過(guò)在載 波調(diào)制階段融合脈沖壓縮的信號(hào)調(diào)制和解算方法，相比于目前使用IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的 ZigBee通信增加了遠(yuǎn)程多目標(biāo)測(cè)距功能并具有較高的測(cè)距精度，而由于目前相關(guān)通信芯片 產(chǎn)業(yè)相當(dāng)成熟，該技術(shù)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)雷達(dá)。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)星型網(wǎng)絡(luò)的脈沖壓 縮測(cè)距方法，配置符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的星形網(wǎng)絡(luò)，星形網(wǎng)絡(luò)中包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和 精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN采用基于時(shí)隙的帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(wèn)CSM/ CA信道訪問(wèn)機(jī)制與精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD進(jìn)行信道競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)，在完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，采用脈 沖壓縮的方法完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD之間的測(cè)距。
[0007] 配置符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的星形網(wǎng)絡(luò)包含以下步驟： 步驟Sl、定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN; 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN主機(jī)上電，配置成符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN; 步驟S2、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN周期性地廣播信標(biāo)幀； 步驟S3、注冊(cè)精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD; 步驟S4、配置星形網(wǎng)絡(luò)； 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和已注冊(cè)的精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD之間進(jìn)行通信時(shí)， 任何設(shè)備收到數(shù)據(jù)幀后都需要發(fā)送應(yīng)答幀。
[0008] 注冊(cè)精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD包含以下步驟： 位于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN測(cè)距范圍內(nèi)的精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD上電后，如果精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD接收到了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN廣播的信標(biāo)幀，則向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 PAN接收到精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD的注冊(cè)請(qǐng)求后，將精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD的網(wǎng)絡(luò)地址存入網(wǎng)絡(luò)協(xié) 調(diào)器PAN中的目標(biāo)列表，并通過(guò)符合IEEE802. 15. 4的時(shí)隙保障機(jī)制GTS分別為精簡(jiǎn)功能設(shè) 備RFD分配專用的通信時(shí)段，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD的網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)和時(shí)鐘 同步。
[0009] 對(duì)于單個(gè)精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD，采用脈沖壓縮的方法完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和精簡(jiǎn)功 能設(shè)備RFD之間的測(cè)距包含以下步驟： 步驟S501、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN發(fā)送第一數(shù)據(jù)幀給RFD，并記錄下此時(shí)的時(shí)間； 步驟S502、精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD在收到第一數(shù)據(jù)幀后返回第一應(yīng)答幀給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN， 在該第一應(yīng)答幀中包含了精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD從收到第一數(shù)據(jù)幀到發(fā)送第一應(yīng)答幀之間所 消耗的時(shí)間T2; 步驟S503、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN收到第一應(yīng)答幀后計(jì)算出第一次通信過(guò)程中消耗的時(shí)間Tl； 步驟S504、為了使測(cè)距更加準(zhǔn)確，精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD在返回第一應(yīng)答幀后會(huì)再發(fā)送第 二數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN，記錄發(fā)送的時(shí)間； 步驟S505、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN在收到第二數(shù)據(jù)幀后返回第二應(yīng)答幀給精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD， 在該第二應(yīng)答幀中包含了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN從收到第二數(shù)據(jù)幀到發(fā)送第二應(yīng)答幀之間所消 耗的時(shí)間T4 ; 步驟S506、精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD收到第二應(yīng)答幀后計(jì)算出第二次通信過(guò)程中消耗的時(shí)間T3 ； 步驟S507、精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD將第二次通信過(guò)程中消耗的時(shí)間T3通過(guò)第三數(shù)據(jù)幀發(fā)送 給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN; 步驟S508、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN計(jì)算通信過(guò)程中信號(hào)的單程傳輸時(shí)間Tsingle，并由此計(jì)算 出網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD之間的距離；
[0010] 在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD之間的測(cè)距過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和精 簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD之間發(fā)送的數(shù)據(jù)幀都經(jīng)過(guò)脈沖壓縮數(shù)據(jù)處理。
[0011] 所述的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN定期重新配置符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的星形網(wǎng)絡(luò)，對(duì)新進(jìn) 入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN測(cè)距范圍內(nèi)的精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD進(jìn)行注冊(cè)，對(duì)超過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN測(cè)距 范圍的精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD進(jìn)行解注冊(cè)。
[0012] 本發(fā)明具有以下有益效果：目前符合IEEE802. 15.4的通信套片已十分成熟，將 該標(biāo)準(zhǔn)中的信道能量檢測(cè)（ED)、鏈路質(zhì)量指示（LQI)等功能和時(shí)隙保障（GTS)、載波偵聽 (CSMA)、ACK機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)利用到雷達(dá)測(cè)距技術(shù)上，能夠大幅降低傳統(tǒng)測(cè)距雷達(dá)抗干擾以及解 決信道能量飽技術(shù)的復(fù)雜程度和所耗費(fèi)的成本，而在IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)物理層融合了雷 達(dá)領(lǐng)域的脈沖壓縮技術(shù)后，能夠在提高雷達(dá)平均功率，提高作用距離的同時(shí)提高距離分辨 能力，突破傳統(tǒng)ZigBee技術(shù)的作用距離并增加了測(cè)距能力具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2是本發(fā)明的流程圖。
[0015] 圖3是實(shí)施例中的測(cè)距流程示意圖； 圖4是實(shí)施例中的原始發(fā)射波形和脈沖壓縮之后提取的波形圖； 圖5是實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)距曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下根據(jù)圖1~圖5，具體說(shuō)明本發(fā)明的較佳實(shí)施例。
[0017] 圖1是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，星形網(wǎng)絡(luò)中配置了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和若干個(gè)精 簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD。
[0018] 如圖2所示，本發(fā)明提供一種符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)星型網(wǎng)絡(luò)的脈沖壓縮測(cè)距方 法，包含以下步驟： 步驟Sl、定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN; 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN主機(jī)上電，配置成符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN; 步驟S2、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN周期性地廣播信標(biāo)幀，以標(biāo)示超幀的開始； 超幀是一種用來(lái)組織網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間分配的邏輯結(jié)構(gòu)，主要定義了通信的活躍時(shí)段和非 活躍時(shí)段，在非活躍時(shí)段，設(shè)備可以進(jìn)入休眠模式以達(dá)到省電的目的； 步驟S3、注冊(cè)精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD; 精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD即為被測(cè)目標(biāo)，精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD上電后，通過(guò)掃描搜索到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 器PAN(即接收到了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN廣播的信標(biāo)幀)，向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò) 協(xié)調(diào)器PAN接收到精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD的注冊(cè)請(qǐng)求后，將精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD的網(wǎng)絡(luò)地址存入 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN中的目標(biāo)列表，并通過(guò)符合IEEE802. 15. 4的時(shí)隙保障機(jī)制（GTS)分別為精 簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD分配專用的通信時(shí)段，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD的網(wǎng)絡(luò)關(guān) 聯(lián)和時(shí)鐘同步； 符合IEEE802. 15. 4的時(shí)隙保障機(jī)制GTS由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN集中管理，通過(guò)分時(shí)復(fù)用的 方法避免了通信信道內(nèi)不同目標(biāo)傳輸信號(hào)的相互干擾； 步驟S4、配置星形網(wǎng)絡(luò)； 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PAN和已注冊(cè)的精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD之間進(jìn)行通信時(shí)， 任何設(shè)備收到數(shù)據(jù)幀后都