CN202455540U

CN202455540U - 一种群移动通信***及其节点机装置

Info

Publication number: CN202455540U
Application number: CN2012200201401U
Authority: CN
Inventors: 林晓勇; 徐名海; 梁蒨; 陈仟; 林泽
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2022-01-17

Abstract

本实用新型公开了一种群移动通信***及其节点机装置，节点机装置包括供电模块、数字指南针模块、两个射频收发模块、MCU、存储器单元、开关阵列；其中数字指南针模块与MCU之间采用I²C总线连接；两个射频收发模块、存储器单元分别通过数据总线与MCU的I/O端口连接；开关阵列与MCU的控制端口连接。所述群移动通信***包括2-26个节点机装置。本实用新型能在相互协作的群组节点运动过程中，通过节点机装置之间的无线通信，获知每个节点机当前的相对的方向距离定位，通过与主节点机的无线通信，获知每个节点机在本群中的相对位置及距离长度，在通信定位方面具有很好的实用价值。

Description

一种群移动通信***及其节点机装置

技术领域

本实用新型涉及一种群移动通信***及其节点机装置，属于移动通信装置技术领域。

背景技术

目前在移动通信中对移动节点的定位技术有以下主要特征：

1、单个节点只有一个无线射频收发模块，多用来传递和交换自身传感器所获得的数据；

2、位置定位只针对单个孤立节点，忽略各个节点之间可能存在的紧密的业务关系；

3、多采用GPS定位***作为信标或者固定位置节点作为信标来对移动节点进行位置评估，所得到的位置信息为估测信息；

4、移动节点的能耗最小化考虑放在第一位，对位置信息的要求不高；

5、对稀疏相邻移动节点之间的方向性无法预测，只能预测到以一定距离为半径的圆周路径，方位角度的具体信息需要多个移动节点进行估计算法方能推导计算出；

6、目前全部采用全球定位***（GPS）终端定位最大可以达到25米圆周的定位范围，但GPS无线通信对地面有遮挡物比如桥梁和坑道，则无法完成定位工作，且25米的定位范围对群移动相邻成员之间定向测距精度要求无法达到。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对背景技术的缺陷和不足，提出一种适合在3km范围内，节点机数量为2~26个之间的群组移动场景下，各节点机获知自己在群组中的相对位置以及距离信息的装置。

本实用新型为解决上述技术问题，采用以下技术方案：

一种群移动通信***中的节点机装置，包括用于向节点机装置供电的供电模块、数字指南针模块、两个射频收发模块、微控制单元MCU、存储器单元、开关阵列；其中，

所述数字指南针模块与微控制单元MCU之间采用I²C总线连接；

所述两个射频收发模块、存储器单元分别通过数据总线与微控制单元MCU的I/O端口连接；

所述开关阵列与微控制单元MCU的控制端口连接。

作为本实用新型的群移动通信***中的节点机装置的进一步优化方案，还包括与微控制单元MCU连接的TFT液晶显示模块。

作为本实用新型的群移动通信***中的节点机装置的进一步优化方案，还包括与微控制单元MCU连接的扬声器及耳脉接口，所述扬声器及耳脉接口依次通过阻抗匹配电路、模数转换电路与微控制单元MCU连接。

作为本实用新型的群移动通信***中的节点机装置的进一步优化方案，存储器单元包括静态随机存储器SRAM、闪存Flash，其中所述静态随机存储器SRAM、闪存Flash分别与微控制单元MCU连接。

作为本实用新型的群移动通信***中的节点机装置的进一步优化方案，两个射频收发模块的天线之间的距离为H=0.16米。

作为本实用新型的群移动通信***中的节点机装置的进一步优化方案，供电模块包括充电电路和电池，其中充电电路采用振动式充电结构，在移动中产生机械力随时对电池进行充电，并由电池进行供电。

本实用新型还提出一种群移动通信***，包括N个节点机装置，各节点机彼此之间的距离为直径100米的圆周范围内，其中2≤N≤26。

本实用新型采用以上技术方案，具有以下技术效果：

本实用新型的节点机装置可以对非成员节点机的位置估算，以及成员间障碍物所处位置以及长度的估计数据显示，在群移动场景下进行的测试表明，与单射频收发模块的节点机相比，具备以下技术技术指标：

（1）工作电源 +3.6~5.5V；

（2）工作时电流<100mA，休眠时电流<10mA;

（3）共三个工作频点2.4GHz/915MHz/868MHz；

（4）MAC层工作协议IEEE 802.15.4；

（5）最大数据传输速率：250Kb/s（典型模式），20/40kb/s（替代模式）；

（6）单节点机覆盖范围：0~100m（视距空间无障碍物）；

（7）最大接收灵敏度：－87~－98 dBm（典型模式），－92dBm；

（8）最大发送功率： 0~+5dBm；

（9）单节点机方向性定位精度：<=0.5度（视距无障碍）；<=1度（绕射障碍物）；<=3度（完全障碍物遮挡）；

（10）单节点机距离测量精度：<0.3米（视距无障碍）；<=30米（绕射障碍物）；<2米（完全障碍物遮挡）。

附图说明

图1是本实用新型装置的模块图。

图2是群移动通信***的工作示意图。

图3是Zigbee协议栈与TCP/IP协议栈的映射关系图。

图4是能量最大相邻节点机的测距定向示意图。

图5是小型障碍物遮挡节点机时的测距定向示意图。

图6是障碍物遮挡节点机的测距定向示意图。

图7是群组移动液晶显示及按键示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型在群移动通信网络中的具体实施使用做进一步的详细说明。

本实用新型适用在群组成员2~26之间，单节点机100米距离内（增强发射功率的节点机可以达到3Km，但能耗下降很快）。在直径为100米的圆周内，节点机数量在2~26内，无须借助时延较大的卫星GPS定位（卫星通信最小时延在270ms）的群移动通信***内部彼此成员之间的距离测量、方向定位。如群组成员数量上升为50~100之间，位置更新时延将达到1s左右，定位精度也会相对下降。节点机定位测距的工作原理是对相邻能量最大节点机，通过双射频收发模块接收到的同一无线射频计算相位差而获得定向和测距数据，对有直接障碍物的节点机通过绕射计算法或者群组内数据传递法获得准确的数据信息。

本实用新型的装置硬件组成如图1所示，包括与充电电路连接的电池供电电路，数字指南针模块，一对采用Zigbee协议射频收发模块A和 B，存储器单元，开关阵列，扬声器/耳脉接口，TFT液晶显示模组。其中所述电源电路用于供电，指南针模块通过I²C接口向MCU提供准确的南北方位数据，所述射频收发模块A和B与MCU对称相连，且两个射频收发模块的天线之间的距离H为固定值为0.16米，所述TFT液晶显示模组与MCU相连。

其中，MCU采用MSP430F型号单片机，它可以在极低的工作电压1.8~3.6V之间均正常工作，在激活Active模式下，工作电流仅280uA，MSP430单片机内部有3个时钟信号，且其具有丰富的***接口，包括标准串口、SPI接口、I²C接口等。

MCU模块是节点机装置的核心部分，控制流程主要包括初始化装置，对数据进行处理和计算，送给无线射频收发模块A和B进行发送测探信号，同时也要处理无线射频收发模块A和B接收到的数据信息，并根据数据的运算处理后将数据存储在SRAM上，同时通知液晶显示模块进行更新群组位置信息，对群组异常情况可以通过扬声器外放或者通过耳脉接口通知群组成员告警信息。

采用Zigbee协议的无线射频收发模块是本实用新型节点机的两个灵敏的探测触角，在印制PCB电路上，采用了CC2430芯片加上***电路共同组成，CC2430是一颗真正的***芯片(SOC)CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以Zigbee为基础的2.4GHz ISM 波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器，CC2430由于是无线SOC设计，其内部已集成了大量必要的电路，采用较少的***电路即实现信号的收发功能。

表1 Zigbee无线信道的组成

信道编号	中心频率/MHz	信道间隔/MHz	频率上限/MHz	频率下限/MHz
					K=0	868.3		868.6	868.0
K=1,2,……10	902+2（k-1）	2	928.0	902.0
					K=11,12……26	2401+5(k-11)	5	2483.5	2400.0

节点机装置采用了单极不平衡天线，为了优化无线接收灵敏度性能，使用了不平衡变压器，不平衡变压器可以运行在使用低成本的单独电感器和电容器的场合。

图2是一个典型的群移动通信***工作的场景，即有A,B,C,D四个节点机共同组成的群组，其中A为主节点机，该群组在A的带领下向东北方向运动，各节点机均能获知其他节点机的准确位置及液晶显示，并根据主节点机的运动方向调整各自的运动轨迹，其中C节点机在某一个运动时刻被障碍物遮挡，其具***置信息及相关障碍物大小信息将被估计并显示在液晶显示屏上。

由于群通信***的群组内部通信特性，即成员内部授权通信特征，而无线通信的最大特点是发散广播型，所有无线信号覆盖区域均能通信。因此图3表明了传统的TCP/IP协议栈与Zigbee协议栈的对应关系，其中数据链路层即Zigbee协议的无线碰撞接入层，采用的IEEE802.15.4标准，而加密的网络层可以防止入侵节点机伪装成合法成员进入群组。

在IEEE 802.15.4中定义了14个物理层基本参数和35个媒体接入控制层基本参数，总共为49个，在IEEE 802.15.4中定义了两种器件：全功能器件(FFD)和精简功能器件(RFD)。对全功能设备，要求它支持所有的49个基本参数。而对精简功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。这些基本参数的获取是节点机装置对接收到的无线信号进行数据计算的最重要的依据。

本实用新型的具体工作过程可以分为：初始化过程和群移动通信过程。

A，初始化过程：

A1，一定数量的节点机装置集中在直径5m之内的无线信号覆盖范围内，由使用者对节点机的功能进行初始化设定。

A1.1，群组成员属性设置，包括主节点机的设定，指定群移动通信***中的组长，通过设置开关阵列，设置为Master模式，超过两个以上的Master模式的节点机将默认优先设置的节点机；普通群成员节点机的设置为Slave模式；各成员可以选择自己个性化的称呼，比如“John”或“Mary”，将用于液晶显示上的用户的识别。

A1.2，节点机其他属性的设置，为保证群组移动中的隐蔽性，或者是节约电能采用最小能量工作模式，各节点机可以设置成单无线射频收发模块运行模式，是否语音提示模式，是否液晶显示模式，是否启动指南针模式等。

B，群移动通信过程：

B1，群移动通信中主节点机的切换过程：由于在群移动运动中，原先的主节点机可能掉电或者为了省电切换成节点机，因此需要将组长权限授权给某一节点机装置，切换结束后需要广播通知给所有群组成员。

B2，群移动中节点机握手过程：即群组成员内部节点机的协商过程，并生成无环回路的支撑树（Spanning Tree），支撑树的两个节点机之间以最大能量有限为邻居节点的建立原则，每个节点将支撑树信息存储在SRAM中。

B3，测距过程：对已握手成功的对端在T1时刻发出测距询问消息，并记录T1时刻相关参数，对端收到测距消息后返回测距应答消息；由于节点机装置具有一对无线射频收发模块，均收到了来在同一对端的测距应答消息，并记录相关参数，经过一组数学计算及估算，可以获知对端的方位角度和距离数据。

B3.1，相邻视距节点机测距定向过程：

群移动通信***中，最主要的场景是视距无遮挡范围内的节点机定向测距，如图4所示。

节点机A和B之间在100米以内无障碍，且A和B之间满足能量最大化开环原则，及B是A的最大能量邻居节点，且B是支撑树上一个成员（防止闭环的叮当效应），节点A的两个射频收发模块射频1和射频2，向相邻节点B发出测距信号，通信成功后分别接收到节点机B的射频3、射频4的信号，由此获知节点B的能量参数和数据返回时刻，能量参数可以预估辐射半径的距离L1，而返回时延的先后可以用来测量方向角度信息，及取D(3,1)和D(4.1)的中心夹角作为节点机B的方向，由D(3,1)发出至D(4,1)返回时间减去固定的节点机B的处理时延，乘以光速3*10⁸ 即可计算出准确距离L2。

B3.2，小型障碍物遮挡节点机时的测距定向：

由于群移动运动过程中节点间之间会短时间出现障碍物，按照电磁波绕射理论，电磁波能绕射过接近于自身波长的障碍物。本实用新型的节点机由于采用了双射频收发模块，客观上抵消了常规障碍物遮挡的影响。

节点机工作示意如图5所示，节点机A周围仅收到B信号，当使用B3.1的方法得出的L1和L2之间的误差达到10%以上，判定A和B之间出现了小型障碍物，通过对绕射点M和N点分别进行定向和测距，可以计算出物理D(M,N)的大概长度，误差范围为0.3米，由于D(M,N)长度显然超过节点机射频天线距离H，则进一步判定为障碍物而非节点机B，该节点机B的方位用∠M1N的中心角 + ∠M2N的中心角的和除以2来标注，节点机B的距离与∠M1N的中心角射线与∠M2N的中心角射线的交叉点的距离来模拟标识，如图5中的圈点所示。

B3.3，障碍物遮挡节点机的测距定向：

对大型障碍物遮挡造成部分节点机之间信号丢失的情况，由于群移动通信***中成员之间位置在某一时间段相对稳定，即各节点机维持一个相对稳定的支撑树路径，各节点机将通过无线数据的传递各自所获取的相邻节点成员的定位测距数据，如图6所示，节点机A将通过节点机B的传递，获知节点机C的方位角和距离，由此进行三角测距算法估算出C的近似方位角度和距离。

B4，位置更新过程：所有群组成员通过B2步骤获得的支撑树路径进行交互信息，将自身无法获得的节点机的测距信息通过支撑树进行传播，最终获得所有成员节点机的信息，并存储入SRAM中。液晶显示模块与SRAM共享数据总线，由此液晶显示直接读取指定数据段内容并输出显示。而MCU定时比对群组信息，如发现有更新内容，则写入SRAM，发送至扬声器/音频输出提示语音，同时通过控制信号通知液晶显示模块刷新数据。

C，语音提示提示内容示例，在群移动过程中，扬声器可外放语音通知，或者使用耳脉输出语音提醒，部分语音提示内容如下：

1）启动Master模式；

2）启动Slave模式；

3）正在进行注册；

4）成员注册完毕；

5）群组当前运动是东北两点钟方向；

6）警告：本机已脱离群组；

7）警告：东南两点钟位置10米处不明物接近；

8）已切换为Master模式。

D，群移动位置液晶显示：如图7所示，一共六个按键共两排，第一排按键从左往右表示屏幕向左移，向上移动，向右移动；第二排按键从左往右表示屏幕缩小，向下移动，屏幕放大。

其中“屏幕缩小”键还用做菜单（Menu）功能键和返回（Exit）键，“屏幕放大”键还用做确认（Return）键，用在进行功能设置时的用户根据液晶显示的选项进行确认和返回。

初始化中的群移动状态如图7所示，中央位置是节点机自身位置，节点机A为主节点机，C、D为另外两名成员，液晶显示了群组内各成员的位置，方向、距离数据，对自身与C之间还示意性标注了障碍物的估算位置。

液晶显示通常只标注显示相邻若干个节点机的方位和距离，以及主节点机的方位，因为群移动的总体方向是由主节点机的运动方向决定的，节点机基本遵循群组移动方向进行运动；在大容量群移动通信过程中，如需全部成员信息，可以通过屏幕移动的四个按键“上”“下”“左”“右”以及“放大”“缩小”进行感性查询。

群移动通信***测试表明，在2~26个节点机，群组范围在100米之内（视距无遮挡），移动速度在5公里/小时（步行速度约1.5米/秒）至20公里/小时（行军速度），方向定位最大误差为1度，距离误差最大为2米，定位信息更新时间为150毫秒。

群移动通信***测试表明，在群组成员50~100个节点机，定位信息更新时间将增加到500毫秒~1秒。

群移动通信***测试表明，在安装在车队成员的2~26个节点机，相邻节点机最大距离为100米，主节点机运动速度在100公里/小时场景下，距离方向定位误差为0，距离误差定位为5米，定位更新时间最大为2秒（队头到队尾传递时间）

由此，本实用新型装置在群移动场景下，能获取到更佳的定位测距信息，尤其对坑道、桥梁等隐蔽性群组快速移动通信***，具有较高的实用价值，如果为群移动通信***中的组成配置GPS模块，将极大的扩展GPS***在地面的末梢定位范围，具有军民多用途价值。

Claims

1.一种群移动通信***中的节点机装置，其特征在于：包括用于向节点机装置供电的供电模块、数字指南针模块、两个射频收发模块、微控制单元、存储器单元、开关阵列；其中，

所述数字指南针模块与微控制单元之间采用I²C总线连接；

所述两个射频收发模块、存储器单元分别通过数据总线与微控制单元的I/O端口连接；

所述开关阵列与微控制单元的控制端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种群移动通信***中的节点机装置，其特征在于，还包括与微控制单元连接的TFT液晶显示模块。

3.根据权利要求1所述的一种群移动通信***中的节点机装置，其特征在于，还包括与微控制单元连接的扬声器及耳脉接口，所述扬声器及耳脉接口依次通过阻抗匹配电路、模数转换电路与微控制单元连接。

4.根据权利要求1所述的一种群移动通信***中的节点机装置，其特征在于，所述存储器单元包括静态随机存储器、闪存，其中所述静态随机存储器、闪存分别与微控制单元连接。

5.根据权利要求1所述的一种群移动通信***中的节点机装置，其特征在于，所述两个射频收发模块的天线之间的距离为H=0.16米。

6.根据权利要求1所述的一种群移动通信***中的节点机装置，其特征在于，所述供电模块包括充电电路和电池，其中充电电路采用振动式充电结构，在移动中产生机械力随时对电池进行充电，并由电池进行供电。

7.一种群移动通信***，其特征在于，包括N个如权利要求1-6任一所述的节点机装置，各节点机彼此之间的距离为直径100米的圆周范围内，其中2≤N≤26。