CSS定位技术应用综述

CSS定位技术应用综述

1．基于CSS 技术的室内定位通信系统

该系统设计了基于CSS扩频信号的室内定位通信系统，在利用CSS扩频信号实现数据通信的基础上，使用双边双向测距算法SDS-TWR（Symmetric Double Sided Two-Way Ranging）测量端点间的距离，计算出标签点位置信息，并针对多标签点同时定位情况下产生的冲突问题，设计了一套多标签点情况下的系统管理算法，对系统进行有效管理。

1.1系统模型

本文是基于多标签节点情况下的定位方案，其系统的结构如图1所示。系统的组成包括4个固定锚节点（Anchor1、Anchor2、Anchor3和Anchor4）、多个移动标签点（Tag1、Tag2及Tag3等）和定位服务器。4个锚节点固定在定位服务区域的4个固定坐标点上，定位区域内的移动标签点处于对等关系，可以进行定位及相互间的数据通信。

图 1 定位系统结构框图

系统工作时，当有标签节点需要定位时，系统标签点依次向各个固定锚节点发出测距信号，固定锚节点收到测距信号后，根据SDS-TWR算法产生相应的应答信号，与移动标签点完成测距。移动标签点分别与4个固定锚节点完成测距后，将距离信息通过USB接口送入与其连接的定位服务器。由于各固定锚节点的坐标已知，定位服务器可以通过LLOP算法计算出移动标签的坐标，并进行显示。

1.2硬件设计

本系统选用nanoPAN5375射频收发模来完成基本的CSS通信功能。nanoPAN5375射频收发模块由德国nanotron公司生产，采用CSS扩频技术，扩频带宽达到80MHz，工作在2.4GHz ISM频段，最高数据传输速率高达2Mb/s。此外，其内部包含高精度的实时时钟和定时器，利于SDS-TWR测距算法的实现。nanoPAN5375射频收发模内部完成了对射频信号的产生与处理，只需要通过SPI接口对其内部寄存器进行操作。系统的硬件结构可以分为标签节点和锚节点两部分。

1.2.1锚节点硬件设计

锚节点的硬件主要基于Atmega128 8bit单片机和nanoPAN5375射频收发模块。Atmega128属于A VR系列，具有低功耗、操作简单等特点，并且自带完整的SPI接口控制器，可以作为主机和从设备使用，能够胜任锚节点中对nanoPAN5375射频模块的控制及数

据收发工作。nanoPAN5375射频模块的ANT脚通过一条阻抗为50Ω的微带线与2.4GHz 天线连接，微带线的阻抗误差会对发射信号的功率产生影响。锚节点硬件结构框图如图2所示。

图 2 锚节点硬件设计

1.2.2标签节点硬件设计

在多标签点的定位及标签点间进行数据通信时，锚节点的硬件结构有很大的局限性。Atmega128的处理速度较慢，在运行大型程序时延时较大，RS232接口的传输速率有限，无法满足nanoPAN5375模块最高数据传输速率为2Mb/s的要求。因此在标签点的设计上选用了高性能的STM32F103 32bit处理器，其主频最高可达72MHz，自带完整的SPI接口控制器，并且自带USB接口，完全符合本系统对接口控制与数据传输速率的要求，其结构框图如图3所示。

与锚节点相比，标签节点具有更高的性能，在RS232 接口的基础上增加了USB接口，使系统具有更强的通用性，为后续开发留下了空间。对标签点和锚节点的硬件进行单独的设计可以降低在大规模部署情况下的成本。

图 3 标签节点硬件设计

1.3软件设计

系统软件分为标签点/锚节点软件和定位服务器软件两部分。标签/锚节点软件完成SPI 接口驱动、测距算法、测距结果返回和系统管理算法；定位服务器软件完成与标签点的接口驱动、数据处理计算和用户界面。

1.4总结

本系统利用CSS扩频信号抗干扰、抗多径能力强的特点，利用SDS-TWR测距算法，设计并实现了一个室内定位通信系统，并设计了一套系统管理算法实现了对系统的管理，该系统在室外和室内都可以获得较高的定位精度。该系统结构简单，具有很强的通用性，可以作为单独的定位通信系统或者作为一个功能部件嵌入到其他系统中，具有较广的应用前景。

2．基于CSS技术的移动目标追踪定位技术

介绍了一种基于线性调频技术的nanoLOC定位芯片，利用该芯片进行测距定位实验，对多次测量数据进行拟合，将拟合后的方程系数求平均得到最终的拟合方程；并将测量值代入该方程，求得拟合后的距离值，采用拟合后的距离值进行最小二乘法定位，结合粒子滤波器滤波进行最终定位，描绘出移动标签节点的运动轨迹。

2.1 nanoLOC开发板介绍

nanoLOC开发板采用CSS(Chirp Spread Spectrum)作为调制方式，在正常模式下采用对称双边双路（SDS-TWR）测距方式，具有较高的测距精度。开发板主要包括以下几部分：

（1）nanoLOC EVR调制模块：包括nanoLOC TRX传送模块及外围电路部分。它提供发送和接收的基本射频模块，还有一些基本的数字操作模块，在天线连接器端有一个ISM 带通滤波器，用来对信号干扰进行滤波。

（2）Atmega128L微控制器：基于A VR增强型RISC架构，包括128Kb的缓存及4Kb SRAM，是一款低功率CMOS 8位微控制器，微控制器通过SPI串口来驱动nanoLOC TRX 传输器。

（3）接口及连接器：Atmega128L微控制器提供6个I/O口，分别为PORTA、PORTB、PORTC、PORTD、PORTE、PORTF，这些接口的引脚直接连在微控制器的各个接口上。

（4）两个振荡器：32.768kHz晶振产生32.768kHz频率，作为时钟或者计数器；7.3728MHz 晶振为外部振荡器。

（5）DC-DC转换器：当提供3V或者更低的能量时，DC-DC用来向Atmega128L微控制器和nanoLOC RF射频模块提供一个恒定的3.3V电源输出。

（6）光传感器：光到数字转换。

（7）显示器件：8个用户可编程的红橙金LED，阳极通过680Ω的电阻连接到PORTC 口，阴极接地。TX/RX LED用来显示传输或者接收的工作状态；电源LED显示电源的工作状态。

（8）开关器件：nanoLOC Atmega128L板提供3个用户可编程按键用来将一些I/O口接地及开关重置。重启键用来重启微控制器；电源开关控制电源；供电插口使用一个2.1mm 筒形插口提供一个最大3V的供电。

图 4 nanoLOC开发板框图

2.2 定位实验

定位步骤主要包括3个部分：一是对移动目标相对于每个固定节点的测量距离值进行拟合，拟合得到的距离值将在定位中使用；二是采用拟合后的距离值进行最小二乘法定位，得到初步的定位位置；三是结合上一步中的初步定位位置采用粒子滤波器进一步滤波得到最终的定位位置。

在同一个实验环境下，将固定标签分别放置在实验室中间4.2m×4.2m大小区域的4个拐角上，移动节点在该定位区域的中间进行有规律的移动，移动目标的平均速率为0.3m/s，