高危生产区域人员定位节点的电路设计

摘要：为了适应室内人员追踪定位系统对节点体积、供电、定位精度等的要求，提出了一种以ATmega128L单片机和NA5TR1无线收发芯片为核心的无线定位节点的硬件电路设计方案。ATmega128L单片机具有低功耗的体眠模式，能有效降低节点功耗，NA5TR1无线收发芯片采用线性调频扩频技术进行测距，经实验证明，该测距方法能有效地提高测距精度，从而提高定位的精度。
关键词：无线定位；节点设计；线性调频扩频；NA5TR1；ATmega128L

随着科学技术的发展，很多新型的化工企业正向着信息化、智能化、无人化的方向发展，但在其发展过程中，传统人工监测设备的方法仍将在高危生产区域中占据主导。尽管已经采取很多措施以提高整个生产过程中的安全性能，一些由设备隐患、制度缺陷、工作疏忽或个人违章行为等原因引起的安全事故仍旧威胁着现场工作人员的生命安全。在提高工作人员的安全意识和改进设备来避免事故发生的同时，也要在事故发生之后采取有效的措施使资源、财产、生命的损失降到最低，尤其是要保障高危生产区域工作人员的生命安全。在事故发生以后，如果能对事故现场遇难人员的位置进行定位，将可以大大加快搜救的速度，提高搜救的效率。目前可用来室内定位的技术主要有红外线室内定位技术、超声波定位技术、射频识别技术、蓝牙技术、Zigbee技术等，但是这些技术在室内定位领域有着各自的不足。例如，红外和超声波无法对移动的物体进行定位；射频识别技术通信距离短，定位精度低；蓝牙技术功耗大，传输距离短，稳定性差；Zigbee技术定位精度低，抗干扰能力弱等。除了这些技术外，还有最新的线性调频扩频技术，线性调频扩频技术利用射频信号到达的时间差来测量节点间的距离，进而对节点进行定位。该技术具有发射功率低、通信稳定性好、抗干扰能力强、定位精度高等特点，能很好地用于化工生产环境的人员定位。本文采用的无线收发芯片即为利用CSS技术的NA5TR1。

1 线性调频扩频技术
Chirp信号是瞬时频率随时间线性变化的正弦波信号，通过对载波频率进行调制以增加信号的发射带宽并在接收时实现脉冲压缩，频谱带宽较大，具有良好的自相关性。用Chirp信号进行扩频的通信方式被称为线性调频扩频。基于线性调频扩频的测距过程如图1所示。第1次测量时，节点1向节点2发送数据包并接收节点2发送的应答，计算出从发出数据包到接收到应答的传播延时T1，节点2从接收到数据包开始计时，一直到节点2发送出应答即停止计时，得到处理延时T2。第二次测量时，节点2向节点1发送含有T2的数据包并接收节点1发送的应答，同第一次测量一样，节点2计算出传播延时T3，节点1计算出处理延时T4。最后，节点2再向节点1发送含有T3的数据包，节点1根据得到的4个延时数据以及信号的传播速度通过公式(1)计算出两节点间的距离d，其中c为射频的传播速度，约为光速。
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