高危生產區域人員定位節點的電路設計

摘要：為了適應室內人員追蹤定位系統對節點體積、供電、定位精度等的要求，提出了一種以ATmega128L單片機和NA5TR1無線收發芯片為核心的無線定位節點的硬件電路設計方案。ATmega128L單片機具有低功耗的體眠模式，能有效降低節點功耗，NA5TR1無線收發芯片采用線性調頻擴頻技術進行測距，經實驗證明，該測距方法能有效地提高測距精度，從而提高定位的精度。
關鍵詞：無線定位；節點設計；線性調頻擴頻；NA5TR1；ATmega128L

隨著科學技術的發展，很多新型的化工企業正向著信息化、智能化、無人化的方向發展，但在其發展過程中，傳統人工監測設備的方法仍將在高危生產區域中占據主導。盡管已經采取很多措施以提高整個生產過程中的安全性能，一些由設備隱患、制度缺陷、工作疏忽或個人違章行為等原因引起的安全事故仍舊威脅著現場工作人員的生命安全。在提高工作人員的安全意識和改進設備來避免事故發生的同時，也要在事故發生之后采取有效的措施使資源、財產、生命的損失降到最低，尤其是要保障高危生產區域工作人員的生命安全。在事故發生以后，如果能對事故現場遇難人員的位置進行定位，將可以大大加快搜救的速度，提高搜救的效率。目前可用來室內定位的技術主要有紅外線室內定位技術、超聲波定位技術、射頻識別技術、藍牙技術、Zigbee技術等，但是這些技術在室內定位領域有著各自的不足。例如，紅外和超聲波無法對移動的物體進行定位；射頻識別技術通信距離短，定位精度低；藍牙技術功耗大，傳輸距離短，穩定性差；Zigbee技術定位精度低，抗干擾能力弱等。除了這些技術外，還有最新的線性調頻擴頻技術，線性調頻擴頻技術利用射頻信號到達的時間差來測量節點間的距離，進而對節點進行定位。該技術具有發射功率低、通信穩定性好、抗干擾能力強、定位精度高等特點，能很好地用于化工生產環境的人員定位。本文采用的無線收發芯片即為利用CSS技術的NA5TR1。

1 線性調頻擴頻技術
Chirp信號是瞬時頻率隨時間線性變化的正弦波信號，通過對載波頻率進行調制以增加信號的發射帶寬并在接收時實現脈沖壓縮，頻譜帶寬較大，具有良好的自相關性。用Chirp信號進行擴頻的通信方式被稱為線性調頻擴頻。基于線性調頻擴頻的測距過程如圖1所示。第1次測量時，節點1向節點2發送數據包并接收節點2發送的應答，計算出從發出數據包到接收到應答的傳播延時T1，節點2從接收到數據包開始計時，一直到節點2發送出應答即停止計時，得到處理延時T2。第二次測量時，節點2向節點1發送含有T2的數據包并接收節點1發送的應答，同第一次測量一樣，節點2計算出傳播延時T3，節點1計算出處理延時T4。最后，節點2再向節點1發送含有T3的數據包，節點1根據得到的4個延時數據以及信號的傳播速度通過公式(1)計算出兩節點間的距離d，其中c為射頻的傳播速度，約為光速。
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