無線局域定位系統的分析與設計

引言
本文闡述的個人位置跟蹤系統是射頻識別系統(RFID)在個人定位上的應用，即利用無線鏈路的方式實現個人的位置定位的系統。系統的頻率為433MHz，通信距離為200米。系統分為手持臺、基站和信息處理的數據庫?；驹硎峭ㄟ^定時發射基站發射同步時鐘信號，手持臺接收到該信號后，按照一定的次序同接收基站進行數據交換。交換完數據信息后，基站即時更新數據庫，并由管理PC機顯示，需要時可以報警。
空中鏈路安排
通常在進行無線接收系統設計之前，必須進行鏈路預算分析的演示。通過演示，可以預知在特定的輸出誤碼率(BER)和信噪比(SNR)下，為達到設計要求，接收機所需要的噪聲系數(NF)、增益、和發射機的輸出功率等。由射頻理論可知，信號的自由空間損耗：
L(dBm)=20log(4R/)=20log(4Rf/c)
式中：R為通信距離；f為信號頻率；c為光速。
當f以MHz為單位，R以km為單位時，可以得到：
L(dBm)=32.45+20logf(MHz) +20logR(km)
若以433MHz作為空中鏈路頻率，則L(dBm)=85.2+20logR(km)。
相應的數值列表如表1。
由于通信距離設定為200米，故空中動態為1米至200米，即動態范圍為71.2-25.2＝46dB ?？紤]到身體的不同方向衰減30dB，則動態范圍達46+30＝76dB。 當然，實際信號在傳播過程中往往不止自由空間損耗，還有其它的損耗，這將使空中鏈路更加惡化。一般通過增加發送的功率，減低接收NF，增加接收增益和提高發射與接收天線增益可以使這些損耗得到補償。  
手持臺的電路由兩部分組成：第一部分是單片機，其主要的功能是用于控制射頻RF模塊和保存與手持臺ID相關的信息。射頻模塊則負責接收和發射基站MCU送來的信號。由于手持臺采用電池供電，所以功耗、接收靈敏度以及低工作電壓是其重要的指標。

圖1  手持臺的軟件流程圖

圖2  復時發射基站電路框圖

手持臺重要的參數有：

手持臺的電路可以由CHIPCON公司的單片射頻收發芯片CC1000，和TI公司的MSP430F1121微處理器組成。CC1000是一款低功耗、低工作電壓、單片UHF無線收發芯片。該芯片主要為工業生產、科技和醫藥應用方面實現在小范圍、短距離通信而設計。頻率一般工作在315，433，868和915MHz，但是通過專用軟件可以很容易計算出使該芯片運行在300~1000MHz內任一頻率上所需的參數，并通過與各種微處理器的配合可以方便快捷地定義其工作狀態。MSP430F1121微處理器也是一種具有超低功耗特性的功能強大的單片機。它有多種工作模式，工作電流視工作模式的不同為0.1至400uA 。一個中斷可以將系統從各種工作模式中喚醒。而RETI指令又使MSP430返回到中斷事件發生前的工作模式。因此為手持臺節省能耗成為可能。另外通過MSP430微處理器可以完成對CC1000的各種工作狀態設置，方便快捷。由這兩個IC構成的電路完全可以滿足手持臺的技術指標列舉如下：

手持臺的軟件流程圖如圖1所示。
基站的基本特性及軟硬件設計如下：

定時發射基站主要的作用是負責每隔一定時間發送一個同步時鐘信號給各個手持臺。手持臺接到信號后即開始用計時器開始計時，不同的手持臺計時時間可以通過修改程序使計時時間錯開，隨后進入休眠狀態，等待中斷喚醒。
一個區域只可安裝一個定時發射臺，如果需要多臺，則需要GPS定時。根據系統的需要，定時發射臺的作用距離為1km，由上文可知路徑損耗為85.2dB,接收靈敏度為-96dBm，加上30dB的保護能量，則接收機要求的能量為-96+33＝-66dBm。如果定時發射臺的天線是全向的，G＝30dB，則發射機的功率要大于(-66+85.2)dBm=19.2dBm。
按發射功率為1W來設計，設計的定時發射基站的電路框圖如2所示。

接收基站主要的作用是負責接收各個手持設備發送的數據信息。并負責將所有的數據信息及時傳送給管理PC機，管理PC機根據這些信息即時更新數據庫。接收基站可以多點分布。
根據系統設計要求，接收距離按200m來設計。手持臺的發射功率為0dBm,加上40dB的保護帶，所以接收站接收到的功率為：-71.2-40＝-111.2dBm。
若天線增益收發相抵為0dB，則接收的靈敏度為-111.2dBm，設中頻帶寬設定為200kHz，則最低的可檢測輸入功率電平Pmin=-174+53＝-121dBm，此時前端濾波插入損耗L≤4dB，則NF必須<5dB所以電路框圖如圖3所示。
另外，考慮到在0.001km處，空中鏈路衰減25.2dB，所以接收基站收到的最大能量為-25.2dBm，由此可得系統的動態為(-25.2+111.2)dB =86dB。
為了保證正常的通路，因此在接收基站，需要加低噪聲放大器LNA(G≥15dB，NF1≤2dB),同時要有可調衰減為20dB的自動增益控制電路AGC。
根據實際設計的需要，前端濾波器采用f＝433MHz的聲表面波濾波器，其插入損耗L＝1.5dB。由于無源有耗網絡的噪聲系數為：

系統的噪聲系數為：

1.41+0.36+0.38=2.16
則：NF＝3.34dB<5dB，完全滿足系統設計的要求。
基站的RF模塊也使用單片射頻收發芯片CC1000。但是為了節省成本，MCU可以使用51系列單片機。由于CC1000電源的電壓為3V，因此需要設計一個從3V電平轉換到5V電平的轉換電路。轉換電路既可以使用專用的電平轉換芯片，如Philips公司的74LVC4245 和 Maxim公司的MAX3370，還可以采用CHIPCON公司開發板上的轉換電路方案。
當通信范圍不是很大的情況下，比如說就在200米范圍內，則定時發射基站和接收基站可以合二為一。這時基站的軟件流程圖如圖4所示。

功耗分析
在系統的設計中，由于手持臺使用紐扣電池作為系統供電方式。因此，手持臺的功耗是設計時重點考慮的問題之一，可以說是本系統成功的關鍵。為了闡明功耗問題，首先需要分析基本空中數據的傳輸過程。
根據系統設計的需要，定時發射基站每5s必須作一次定時發射，且系統的容量為256，用19.2k波特率傳輸數據。136bit的定時碼幀格式如下。

圖3 接收基站電路框圖

圖4 基站軟件總體流程圖

由于一幀數據的容量共為136bit，發送所需時間136×(1/19.2)×10-3=7ms，因而在間隔時間5s內的總容量為(5/7)×103=714 個，由于系統設計容量位256個，故系統容量足夠大。
手持臺接收到定時發射基站發出的定時信號后，延遲10ms，才相繼開始發送數據給接收基站，發送數據完畢即進入休眠狀態，減少電源的損耗。接收基站接收完所有的手持臺發射來的數據，即時更新數據庫，并將結果顯示或報警。
發射定時時序的間隔為5s，其中7ms用于發射(10.4mA)；另外的7ms用于接收(7.4mA)。一個手持機將用時間14ms。
故手持臺總的耗電量為：
720×7×(10.4+7.4)/3600000=0.02492 mA/小時 
900mA/小時的電池可以使用4.1年。當然，加上MCU的功耗，電池的使用時間將會降低。

結語
本文介紹的個人位置跟蹤系統及其解決方案主要功能和參數已經基本達到系統要求。但是在軟件特別是在糾錯編碼方面有待改進。