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1、2011年全国大学生电子设计竞 赛第一阶段题目分析 -简易无线定位装置 刘涛 简易无线定位装置 任务： 设计并制作一个简易无线定位装置，在一 个 6*6米的正方型空间内放置 5个无线装置， 包含 4个从机和 1个主机。 原理框图 基本要求 (1)将主机放置在图中中心位置，主机能够自动识别已 经处在从机包围的区域内，并发出提示音；将主 机放在区域外（至少超出边横框 2米外），主机 能自动识别超出测试范围并发出报警声（ 30S内 完成）。 (2)将主机放置在图中任意位置，主机将能够自动识别 自己的位置，并显示与四个从机各点的距离，误 差不大于 2米（定位时间 40S内完成）。 (3)发射功率小于
2、1W，主机采用电池供电，从机可采 用电源供电。 发挥部分 (1)将主机放置在图中任意位置，主机将能够自动识 别自己的位置，以 3号从机为原点，并显示其所 处坐标，误差不大于 2米 (定位时间 20S内完成 )。 (2)将主机放置在图中任意位置，主机将能够自动识 别自己的位置，并显示其所处坐标，误差不大 于 1米（定位时间 10S内完成）。 (3)将图中四个从机中的任意一个关闭，仍能完成发 挥部分第（ 2）步。 (4)主机和从机采用 50鞭状天线，天线长度不大于 。要求高频功率放大器的输岀功率 100mW（在负载电阻 50上） ,且通过液晶显 示所处位置。 (5)从机采用电池供电。 说明 (1)
3、频率选用 15MHZ50MHZ内自选； (2)可选用接收机专用集成电路自行设计与装调， 不允许用成品接收机； (3)为便于测量电路的性能指标，应留出相关的 测量端口； (4)测试前应完成整机调整，测试中不允许对整 机进行任何手动调节以及软件 更改。分析 与识别结果应在显示屏上正确显示。 定位系统的划分 室外定位 GPS A-GPS 室内定位 蓝牙 超声波 UWB ZIGBEE 定位系统简介（空间定位技术） GPS定位系统 基本原理：是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算 数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。 特点： 全球，全天候工作 能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速
4、度和精 密时间。不受天气的影响。 定位精度高 单机定位精度优于 10米，采用差分定位，精度可达厘 米级和毫米级。 功能多，应用广 随着人们对 GPS认识的加深， GPS不仅在测量，导航， 测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不 断扩大。 定位系统简介（手机定位技术） 手机定位技术 : 指利用 GPS定位技术或者基站定位技术对手机进行定位 的一种技术。基于 GPS的定位方式是利用手机上的 GPS定位 模块将自己的位置信号发送到定位后台来实现手机定位的。 基站定位则是利用基站对手机的距离的测算距离来确定手机 位置的。后者不需要手机具有 GPS定位能力，但是精度很大 程度依赖于基站的密度
5、，有时误差会超过一公里。前者定位 精度较高。 (A-GPS) 定位系统简介（室内定位） 室内定位 : 在一些特定场合的实用性和必要性已经日趋显著，其 应用前景广阔，研究意义非常大，目前也是一个非常热门的 议题。如机场的大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停 车场和矿井中使用。 室内定位技术解决方案： A-GPS技术、超声波定位技术、蓝牙、红外线、射频 识别、超宽带、无线局域网、光跟踪和图像分析等等 超声波技术 超声波定位： 目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器 和若干个电子标签组成，主测距器可放置于移动机器人本 体上，各个电子标签放置于室内空间的固定位置。 定位过程如下： 先由上位机
6、发送同频率的信号给各个电子标签，电子 标签接收到后又反射传输给主测距器，从而可以确定各个 电子标签到主测距器之间的距离，并得到定位坐标。 红外技术 红外线： 一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。 典型的红外线室内定位系统是待测物体附上一个电子标 识，该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周 期发送该待测物唯一 ID，接收机再通过有线网络将数据传输 给数据库。这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或 物体的阻隔，实用性较低。 射频识别技术 ZigBee技术的室内定位系统： 是通过在传感器网络中布置参考节点，移动节点构成系 统的，参考节点为静态节点，它们发送位置信息和 RSSI值
7、 给移动待测节点，该节点将数据写入定位模块，分析计算得 到自身位置。该系统常采用分布式节点设置，可以减少网络 数据工作量和通信延迟的问题。 精度： 2m以内，平均 1m。 缺陷：网络稳定性还有待提高，易受环境干扰。 竞赛题目分析 1）该无线定位装置属于室内定位技术，采用 的是射频识别技术的定位方式。 2）室内定位的最基本的算法 （ 1）起源蜂窝小区技术； （ 2）时间到达法（ TOA）； （ 3）时间到达差法（ TDOA）； （ 4）信号强度法（ RSSI）； （ 5）到达角度差法（ AOA） 计算电磁波的传输时延 题目中要求频率在 15-50MHZ，电磁波在空气 中的传输速度为： 主机到各从
8、机的距离为： 传输时间为： 通过上述的计算，主机和从机的时间差太短， 仅有 0.14ns,器件很难实现。 83 1 0 /v m s 223 3 1 8 4 .2 m 8 8 4.2 1.4 10 0.1 4 3 10 m s ns 自由空间传播损耗： L(dB)=32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km) 由前面计算主机到从机的距离为 : d=4.2m=0.0042km 假设所采用的通信频率为： f=50MHZ 计算出： L(dB)= 32.44+34-47.5=19(dB) 得出发送到接收衰减了 19dB 计算电磁波的传输衰减 距离和损耗图表 传输距离（ d） L(dB)=32.
9、44+20lgf(MHz)+20lgd(km) 0.5m 0.44 dB 1m 6.44 dB 2m 12.46 dB 3m 15.98 dB 4m 18.48 dB 方案确定 采用信号强度法（ RSSI），利用主机接收到 的信号强度得出各从机到主机之间的距离， 运算得出定位信息。 接收到的功率和定位算法 1）通过接收到的功率可以计算出各从机到主 机之间的距离。 2）得到距离 D1：主机到从机 1的距离 D2：主机到从机 2的距离 D3：主机到从机 3的距离 D4：主机到从机 4的距离 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1
10、2 D3 D4 D1 D2 从机 4 位置 从机 2 位置 从机 3 位置 从机 1 位置 主机 当主机在中间的时候建立 D1-D4距离数据表格 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 D3 D4 D1 D2 从机 4 位置 从机 2 位置 从机 3 位置 从机 1 位置 主机 当主机在左上角落的时候建立 D1-D4距离数据表格 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 D3 D4 D1 D2 从机 4 位置 从机 2 位置 从机 3 位置 从机 1 位
11、置 主机 当主机在左下角落的时候建立 D1-D4距离数据表格 硬件设计 方案 1）射频端：不需要构成半双工系统，单工系 统。 2）主机：能传输数据给从机；对接收到的从 机信号进行功率测量。 3）从机：能够接收主机发送来的数据；能够 发送固定载波，保证功率一致。 硬件设计 框图（主机） 单片机 调制 (ASK/FSK) 功率检测 (检波 ) AD转换 切换开关 硬件设计 框图（从机） 单片机 解调 (ASK/FSK) 放大器 (自动增益控制 ) 振荡器 切换开关 软件设计 -程序流程图 开始 初始化主机处于发送状态，各从机处于接收状态 主机发送查询指令： 0X01,0X02,0X03,0X04
12、查询从机 1 查询从机 2 查询从机 3 查询从机 4 发送固定载波持续 一段时间 ,供主机 进行功率检测 从机 1接收到数据 发送固定载波持续 一段时间 ,供主机 进行功率检测 从机 2接收到数据 发送固定载波持续 一段时间 ,供主机 进行功率检测 从机 3接收到数据 发送固定载波持续 一段时间 ,供主机 进行功率检测 从机 4接收到数据 主机检测到功率，并计算出到各从机的距离 D1,D2,D3,D4。换算出主机目前的坐标值 结束 查表法得到位置信息 建立一个 11*11的二维数据表格 ,通过查表法 得到位置信息。建议不要使用算法去计算定 位信息，使用太多的数学函数（ SIN ， COS）
13、后会增加时间定位时间和增加程序的复杂度。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 D3 D4 D2 从机 4 位置 从机 2 位置 从机 3 位置 主机 关闭从机 1，建立 D2-D4距离数据表格 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 D3 D1 D2 从机 2 位置 从机 3 位置 从机 1 位置 主机 关闭从机 4，建立 D1-D3距离数据表格 定位中不稳定处理 测量接收功率中的不稳定性 ? 多次测量功率，取平均值。 发送端采用自动增益控制，保证发端功 率一致。 采用全向天线，尽可能要减少接收到的反 射信号。 数据收发参考原理图 -1 ASK调制电路 ASK解调电路 ASK1 ASK2 ASK3 ASK4 ASK11 ASK22 ASK33 数据收发参考原理图 -2 FSK调制电路 FSK解调电路 FSK1 FSK11 FSK22 FSK2
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