CN103344955A - 一种无线测距节点及无线测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线测距节点及无线测距方法，该节点包括中央处理单元；用于数字信号和射频信号的互相转换的Chirp信号射频单元；用于对Chirp信号进行放大和滤波的射频前端单元；提供工作电源的电源单元；提供节点信息的传感器单元；数据通信单元。本发明提供的无线测距节点利用传感器单元告知中央处理单元整个节点的运动状态，中央处理单元控制整个节点在合适的时刻进入低功耗工作状态；本发明提供的无线测距方法利用两节点间连续发送两次数据的实际时间间隔和连续接收两次同样数据的时间间隔相等的特性，以及SDS-TWR方法本身的时间偏差工式计算出两个节点的时钟偏差的方法提高SDS-TWR的测距精度。

Description

一种无线测距节点及无线测距方法

技术领域

本发明涉及一种无线测距装置及其测距方法，具体涉及一种无线测距设备节点以及基于该节点的无线测距方法，属于无线测距领域。

背景技术

无线传感器定位技术是无线传感器网络的关键技术之一，基于距离的定位方法一般都比非基于测距方法的精度高。重点分析测距的方法，目前常见的测距方法有测量信号的到达时间、到达时间差、接受信号强度指示和到达角度等。测距信号的载体主要有超声波、激光、红外线、电磁波等。

目前很多无线传感器节点利用超声波技术进行测距。但由于超声波容易受到环境温度、风速、触发时间、硬件响应时间等很多外在因素的影响，导致测距精度的一致性很差。另外室内多径效应的影响限制了它的传播范围，测距范围一般小于10米。

市面上也能找到很多利用红外线定位技术的产品，红外技术的定位原理是红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在定位精确上有局限性。

近几年又出现了超宽带定位技术，它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等，但由于其超宽带特性，往往使用的频段较高，信号穿透能力很差，信号不能抗遮挡。Nanotron公司提出了基于线性调频扩频（Chirp Spread Spectrum ，以下简称CSS）技术利用对称双边双向测距(Symmetrical Double-Sided Two Way Ranging,以下简称SDS-TWR)方法无线测距的方法能够有效的提高测距精度，无需时间同步，把测距误差控制在节点间时钟的偏差上。也正是由于测距芯片使用的晶振等计时器件本身存在着一定的偏差，导致测距精度难以做进一步的提高，另外目前国内外使用的无线测距节点不能摆脱有源的供电方式，那么功耗也是急需解决的问题。 

发明内容

针对现有技术中无线测距过程中存在的功耗问题和无线测距精度问题，本发明提出一种低功耗无线测距节点以及一种在SDS-TWR基础上改进的高精度无线测距的方法。

本发明的技术方案是：

一种无线测距节点，包括用于对其他单元进行控制，包含中央处理器、SPI控制单元、中断检测单元的中央处理单元；受控于中央处理单元，用于数字信号和射频信号的互相转换的Chirp信号射频单元；连接于Chirp信号射频单元，包含带通滤波电路、功率放大电路、射频天线，用于对Chirp信号进行放大和带通滤波的射频前端单元；为中央处理单元、Chirp信号射频单元、射频前端单元提供工作电源的电源单元；与中央处理单元连接，包含震动传感器和按键，用于给中央处理单元提供节点信息，使中央处理单元控制进入低功耗状态的传感器单元；包含USB转串口和蓝牙接口模块的数据通信单元。

进一步，所述电源单元通过电源正和电源负给其他单元供电；所述数据通信单元通过USB数据线以及串口的发送和接收数据线与中央处理单元连接；所述传感器单元的震动传感器和按键使用IO口与中央处理单元的中断检测单元连接。

进一步，所述中央处理单元通过SPI总线对Chirp信号射频单元进行控制。

进一步，所述中央处理器单元和Chirp信号射频单元具有低功耗工作模式；所述传感器单元可通过外部中断激活处于低功耗工作模式的中央处理器，中央处理器可激活处于低功耗模式的Chirp信号射频单元。

进一步，所述Chirp信号射频单元工作在2.4G的ISM频段。

进一步，所述电源单元包括锂电池组、电池保护芯片组、电源转换芯片和充电电路，所述锂电池组通过电源保护芯片组、电源转换芯片给中央处理单元、Chirp信号射频单元和射频前端单元供电，所述充电电路通过电池保护芯片组给锂电池组充电。

一种无线测距方法，该方法通过无线方式通信，在SDS-TWR基础上改进实现精度更高的无线测距，具体包括如下步骤：

（1）设置A、B两个节点，节点A和节点B放到已知距离的位置上，记录下两节点之间的距离D_AB；

（2）节点A对节点B进行SDS-TWR测距，并记录下T₁、T₂、T₃、T₄，其中，SDS-TWR无线测距方法的具体步骤为：节点A向节点B发送测距数据并开始计时；节点B接收到节点A发送过来的测距数据并开始计时；节点B接收到测距数据发送确认帧给节点A，并结束计时，记录下计时时间T₂；节点A收到确认帧并停止计时，记录下计时时间T₁；节点B向节点A发送测距数据并开始计时；节点A接收到节点B发送过来的测距数据并开始计时；节点A接收到测距数据发送确认帧给节点B，并结束计时，记录下计时时间T₄；节点B收到确认帧并停止计时，记录下计时时间T₃；节点B发送T₂和T₃给节点A；节点A接收到T₂和T₃后结合本节点记录的T₁和T₄计算距离；

（3）节点A对节点B连续发送两个数据包，节点A记录下连续发送两次数据包的时间差T_S,节点B记录下连续两次接收数据包的时间差T_R并把结果发送给节点A；

（4）节点A根据上述步骤中得到D_AB、T₁、T₂、T₃、T₄，列出SDS-TWR含有时钟偏差e_A和e_B的公式：                                               ,其中c为光速，此式中只有 e_A和e_B是未知数；根据上述步骤中得到的D_AB 、T_S和T_R，利用两个节点间连续发送两个数据包的发送实际时间间隔和这两个数据包的接收实际时间间隔相等的特性得到公式：

，同样此式中也只有e_A和e_B是未知数，由此两公式可以计算出两个节点的时钟偏差e_A和e_B；

（5）节点A和节点B脱离步骤（1）中所述的已知距离位置，代入步骤（4）算得的e_A和e_B进行SDS-TWR测距；

（6）节点A通过数据通信单元中USB转串口或者蓝牙接口模块把测距结果告知用户。

进一步，所述无线测距方法无需节点间时间同步。

本发明的有益效果是：

本发明提供的无线测距节点利用传感器单元告知中央处理单元整个节点的运动状态，中央处理单元控制整个节点在合适的时刻进入低功耗工作状态；本发明提供的在SDS-TWR基础上改进实现精度更高的无线测距方法，利用两节点间连续发送两次数据的实际时间间隔和连续接收两次同样数据的时间间隔相等的特性，以及SDS-TWR方法本身的时间偏差工式计算出两个节点的时钟偏差的方法提高SDS-TWR的测距精度。

附图说明

图1是SDS-TWR测距方法原理图；

图2是本发明一种无线测距节点的结构框图；

图3是本发明一种无线测距方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

现有SDS-TWR无线测距实现方法如图1所示，具体步骤如下：

1、节点A向节点B发送测距数据并开始计时；

2、节点B接收到节点A发送过来的测距数据并开始计时；

3、节点B接收到测距数据发送确认帧给节点A，并结束计时，记录下计时时间T₂；

4、节点A收到确认帧并停止计时，记录下计时时间T₁；

5、节点B向节点A发送测距数据并开始计时；

6、节点A接收到节点B发送过来的测距数据并开始计时；

7、节点A接收到测距数据发送确认帧给节点B，并结束计时，记录下计时时间T₄；

8、节点B收到确认帧并停止计时，记录下计时时间T₃；

9、节点B发送T₂和T₃给节点A；

10、节点A接收到T₂和T₃后结合本节点记录的T₁和T₄计算距离。

参见图2，本发明提供的无线测距节点包括中央处理单元、Chirp信号射频单元、射频前端单元、电源单元、传感器单元以及数据通信单元六个部分。

中央处理单元，主要用于通过SPI总线对Chirp信号射频单元、射频前端单元进行控制完成测距，并把测距结果发送给数据通信单元，同时中央处理器还用于收集传感器单元信息，控制整个节点进入低功耗模式。该部分由中央处理器、SPI控制单元和中断检测单元等组成，其中SPI控制单元用于对SPI总线的控制，完成无线测距过程，中断检测单元用于检测传感器单元的信号。

Chirp信号射频单元受控于中央处理单元，主要用于数字信号和射频信号的互相转换，对无线通信协议进行解析、提取和加密，并实现数字信号和射频信号之间的调制。

射频前端单元连接于Chirp信号射频单元，由功率放大电路、带通滤波电路和射频天线构成，主要用于对射频单元产生的信号进行放大，滤波并通过射频天线把信号发送出去，另一方面通过天线接收无线信号，滤波后把信号提交给射频单元。

电源单元为中央处理单元、Chirp信号射频单元及射频前端单元提供工作电源，包括锂电池组、电池保护芯片组、电源转换芯片和充电电路。其中锂电池组为整个节点能源储备仓库，锂电池有过充或者过放被损坏的特点，电池保护芯片组用于防止锂电池被过充或者过放，充电电路用于给锂电池补给能量，充电接口跟数据通信单元中的USB转串口接口复用。锂电池组通过电源保护芯片组、电源转换芯片给中央处理单元、Chirp信号射频单元和射频前端单元供电，充电电路通过电池保护芯片组给锂电池组充电。

传感器单元主要包含震动传感器和按键，用于给中央处理单元提供节点运动信息，告知中央处理单元节点运动状态，以便中央处理单元合理控制节点的功耗。

数据通信单元主要由USB转串口和低功耗蓝牙接口模块构成，用于提交无线测距结果给用户。

电源单元通过电源正和电源负给其他单元供电，所述数据通信电源通过USB数据线以及串口的发送和接收数据线与中央处理单元连接，所述传感器单元的震动传感器和按键使用IO口与中央处理单元的中断检测单元直接连接。

中央处理单元通过SPI总线对Chirp信号射频单元进行控制；中央处理器单元和Chirp信号射频单元具有低功耗工作模式，传感器单元可以通过外部中断激活处于低功耗工作模式的中央处理器，中央处理器可以激活处于低功耗模式的Chirp信号射频单元。Chirp信号射频单元工作在2.4G的ISM频段。

参见图3，本发明还提供了一种在SDS-TWR基础上改进实现精度更高的无线测距方法，第一节点和第二节点通过无线方式通信，在SDS-TWR基础上改进实现精度更高的无线测距，该无线测距方法包括如下步骤：

1.节点A和节点B放到已知距离的位置上，记录下两节点之间的距离D_AB；

2.节点A对节点B进行SDS-TWR测距（SDS-TWR测距过程如图1所示），并记录下如图1所示的T₁、T₂、T₃、T₄；

3.节点A对节点B连续发送两个数据包，节点A记录下连续发送两次数据包的时间差T_S,节点B记录下连续两次接收数据包的时间差T_R并把结果发送给节点A

4.节点A根据上述步骤中得到D_AB、T₁、T₂、T₃、T₄,列出SDS-TWR含有时钟偏差e_A和e_B的公式：

,其中c为光速，已知值，此式中只有 e_A和e_B是未知数；根据上述步骤中得到的D_AB 、T_S和T_R,利用两个节点间连续发送两个数据包的发送实际时间间隔和这两个数据包的接收实际时间间隔相等的特性得到如下公式：

，同样此式中也只有e_A和e_B是未知数。由此两公式可以计算出两个节点的时钟偏差e_A和e_B。

5.节点A和节点B脱离步骤1中所述的已知距离位置，代入步骤4算得的进行e_A和e_B进行SDS-TWR测距.

6.节点A通过数据通信单元中USB转串口或者蓝牙接口模块把测距结果告知用户。

本实施例中，首先把两个节点放在已知距离位置上，利用SDS-TWR方法给出一个仅带有 e_A和e_B未知数的公式，再利用连续两次发送接收数据包的实际时间价格相等的特性，给出另一个仅含有e_A和e_B的公式，进而计算出两个节点的时钟偏差，在获取到e_A和e_B的基础上在进行SDS-TWR测距，能是测距精度提高1-2个数量级。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无线测距节点，其特征在于：包括用于对其他单元进行控制，包含中央处理器、SPI控制单元、中断检测单元的中央处理单元；受控于中央处理单元，用于数字信号和射频信号的互相转换的Chirp信号射频单元；连接于Chirp信号射频单元，包含带通滤波电路、功率放大电路、射频天线，用于对Chirp信号进行放大和带通滤波的射频前端单元；为中央处理单元、Chirp信号射频单元、射频前端单元提供工作电源的电源单元；与中央处理单元连接，包含震动传感器和按键，用于给中央处理单元提供节点信息，使中央处理单元控制进入低功耗状态的传感器单元；包含USB转串口和蓝牙接口模块的数据通信单元。

2.根据权利要求1所述的一种无线测距节点，其特征在于：所述电源单元通过电源正和电源负给其他单元供电；所述数据通信单元通过USB数据线以及串口的发送和接收数据线与中央处理单元连接；所述传感器单元的震动传感器和按键使用IO口与中央处理单元的中断检测单元连接。

3.根据权利要求1所述的一种无线测距节点，其特征在于：所述中央处理单元通过SPI总线对Chirp信号射频单元进行控制。

4.根据权利要求1所述的一种无线测距节点，其特征在于：所述中央处理器单元和Chirp信号射频单元具有低功耗工作模式；所述传感器单元可通过外部中断激活处于低功耗工作模式的中央处理器，中央处理器可激活处于低功耗模式的Chirp信号射频单元。

5.根据权利要求1所述的一种无线测距节点，其特征在于：所述Chirp信号射频单元工作在2.4G的ISM频段。

6.根据权利要求1所述的一种无线测距节点，其特征在于：所述电源单元包括锂电池组、电池保护芯片组、电源转换芯片和充电电路，所述锂电池组通过电池保护芯片组、电源转换芯片给中央处理单元、Chirp信号射频单元和射频前端单元供电，所述充电电路通过电池保护芯片组给锂电池组充电。

7.一种权利要求1至6中任意一项所述无线测距节点的无线测距方法，其特征在于：通过无线方式通信，在SDS-TWR基础上改进实现精度更高的无线测距，具体包括如下步骤：

（1）设置A、B两个节点，节点A和节点B放到已知距离的位置上，记录下两节点之间的距离D_AB；

（2）节点A对节点B进行SDS-TWR测距，并记录下T₁、T₂、T₃、T₄，其中，SDS-TWR无线测距方法的具体步骤为：节点A向节点B发送测距数据并开始计时；节点B接收到节点A发送过来的测距数据并开始计时；节点B接收到测距数据发送确认帧给节点A，并结束计时，记录下计时时间T₂；节点A收到确认帧并停止计时，记录下计时时间T₁；节点B向节点A发送测距数据并开始计时；节点A接收到节点B发送过来的测距数据并开始计时；节点A接收到测距数据发送确认帧给节点B，并结束计时，记录下计时时间T₄；节点B收到确认帧并停止计时，记录下计时时间T₃；节点B发送T₂和T₃给节点A；节点A接收到T₂和T₃后结合本节点记录的T₁和T₄计算距离；

（3）节点A对节点B连续发送两个数据包，节点A记录下连续发送两次数据包的时间差T_S,节点B记录下连续两次接收数据包的时间差T_R并把结果发送给节点A；

（4）节点A根据上述步骤中得到D_AB、T₁、T₂、T₃、T₄，列出SDS-TWR含有时钟偏差e_A和e_B的公式：                                               

,其中c为光速，此式中只有 e_A和e_B是未知数；根据上述步骤中得到的D_AB 、T_S和T_R，利用两个节点间连续发送两个数据包的发送实际时间间隔和这两个数据包的接收实际时间间隔相等的特性得到公式：

，同样此式中也只有e_A和e_B是未知数，由此两公式可以计算出两个节点的时钟偏差e_A和e_B；

（5）节点A和节点B脱离步骤（1）中所述的已知距离位置，代入步骤（4）算得的e_A和e_B进行SDS-TWR测距；

（6）节点A通过数据通信单元中USB转串口或者蓝牙接口模块把测距结果告知用户。

8.根据权利要求7所述的一种无线测距方法，其特征在于：所述无线测距方法无需节点间时间同步。

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