1、2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽第一階段題目分析-簡易無線定位裝置 劉濤簡易無線定位裝置v任務(wù)： 設(shè)計并制作一個簡易無線定位裝置，在一個6*6米的正方型空間內(nèi)放置5個無線裝置，包含4個從機和1個主機。 原理框圖基本要求(1)將主機放置在圖中中心位置，主機能夠自動識別已經(jīng)處在從機包圍的區(qū)域內(nèi)，并發(fā)出提示音；將主機放在區(qū)域外（至少超出邊橫框2米外），主機能自動識別超出測試范圍并發(fā)出報警聲（30S內(nèi)完成）。(2)將主機放置在圖中任意位置，主機將能夠自動識別自己的位置，并顯示與四個從機各點的距離，誤差不大于2米（定位時間40S內(nèi)完成）。(3)發(fā)射功率小于1W，主機采用電池供電，從機可采用電源供電。發(fā)揮

2、部分(1)將主機放置在圖中任意位置，主機將能夠自動識別自己的位置，以3號從機為原點，并顯示其所處坐標(biāo)，誤差不大于2米(定位時間20S內(nèi)完成)。(2)將主機放置在圖中任意位置，主機將能夠自動識別自己的位置，并顯示其所處坐標(biāo)，誤差不大于1米（定位時間10S內(nèi)完成）。 (3)將圖中四個從機中的任意一個關(guān)閉，仍能完成發(fā)揮部分第（2）步。 (4)主機和從機采用50鞭狀天線，天線長度不大于。要求高頻功率放大器的輸岀功率100mW（在負(fù)載電阻50上）,且通過液晶顯示所處位置。(5)從機采用電池供電。說明(1)頻率選用15MHZ50MHZ內(nèi)自選；(2)可選用接收機專用集成電路自行設(shè)計與裝調(diào)，不允許用成品接收機

3、；(3)為便于測量電路的性能指標(biāo)，應(yīng)留出相關(guān)的測量端口；(4)測試前應(yīng)完成整機調(diào)整，測試中不允許對整機進(jìn)行任何手動調(diào)節(jié)以及軟件 更改。分析與識別結(jié)果應(yīng)在顯示屏上正確顯示。定位系統(tǒng)的劃分室外定位 GPS A-GPS室內(nèi)定位 藍(lán)牙 超聲波 UWB ZIGBEE定位系統(tǒng)簡介（空間定位技術(shù)）vGPS定位系統(tǒng)基本原理：是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。v特點：全球，全天候工作全球，全天候工作v能為用戶提供連續(xù)，實時的三維位置，三維速度和精密時間。不受天氣的影響。 定位精度高定位精度高v單機定位精度優(yōu)于10米，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級和毫米級

4、。 v功能多，應(yīng)用廣功能多，應(yīng)用廣v隨著人們對GPS認(rèn)識的加深，GPS不僅在測量，導(dǎo)航，測速，測時等方面得到更廣泛的應(yīng)用，而且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。 定位系統(tǒng)簡介（手機定位技術(shù)）v手機定位技術(shù): 指利用GPS定位技術(shù)或者基站定位技術(shù)對手機進(jìn)行定位的一種技術(shù)。基于GPS的定位方式是利用手機上的GPS定位模塊將自己的位置信號發(fā)送到定位后臺來實現(xiàn)手機定位的。基站定位則是利用基站對手機的距離的測算距離來確定手機位置的。后者不需要手機具有GPS定位能力，但是精度很大程度依賴于基站的密度，有時誤差會超過一公里。前者定位精度較高。(A-GPS) 定位系統(tǒng)簡介（室內(nèi)定位）室內(nèi)定位: 在一些特定場合的實用性和必要

5、性已經(jīng)日趨顯著，其應(yīng)用前景廣闊，研究意義非常大，目前也是一個非常熱門的議題。如機場的大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場和礦井中使用。室內(nèi)定位技術(shù)解決方案： A-GPS技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙、紅外線、射頻識別、超寬帶、無線局域網(wǎng)、光跟蹤和圖像分析等等超聲波技術(shù)超聲波定位： 目前大多數(shù)采用反射式測距法。系統(tǒng)由一個主測距器和若干個電子標(biāo)簽組成，主測距器可放置于移動機器人本體上，各個電子標(biāo)簽放置于室內(nèi)空間的固定位置。定位過程如下： 先由上位機發(fā)送同頻率的信號給各個電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽接收到后又反射傳輸給主測距器，從而可以確定各個電子標(biāo)簽到主測距器之間的距離，并得到定位坐標(biāo)。紅外技術(shù)紅外線：

6、一種波長間于無線電波和可見光波之間的電磁波。 典型的紅外線室內(nèi)定位系統(tǒng)是待測物體附上一個電子標(biāo)識，該標(biāo)識通過紅外發(fā)射機向室內(nèi)固定放置的紅外接收機周期發(fā)送該待測物唯一ID，接收機再通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫。這個定位技術(shù)功耗較大且常常會受到室內(nèi)墻體或物體的阻隔，實用性較低。射頻識別技術(shù)vZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)： 是通過在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置參考節(jié)點，移動節(jié)點構(gòu)成系統(tǒng)的，參考節(jié)點為靜態(tài)節(jié)點，它們發(fā)送位置信息和RSSI值給移動待測節(jié)點，該節(jié)點將數(shù)據(jù)寫入定位模塊，分析計算得到自身位置。該系統(tǒng)常采用分布式節(jié)點設(shè)置，可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)工作量和通信延遲的問題。v精度：2m以內(nèi)，平均1m。v缺陷：網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)

7、定性還有待提高，易受環(huán)境干擾。競賽題目分析v1）該無線定位裝置屬于室內(nèi)定位技術(shù)，采用的是射頻識別技術(shù)的定位方式。v2）室內(nèi)定位的最基本的算法v（1）起源蜂窩小區(qū)技術(shù)；v（2）時間到達(dá)法（TOA）；v（3）時間到達(dá)差法（TDOA）；v（4）信號強度法（RSSI）；v（5）到達(dá)角度差法（AOA）計算電磁波的傳輸時延v題目中要求頻率在15-50MHZ，電磁波在空氣中的傳輸速度為：v主機到各從機的距離為：v傳輸時間為：v通過上述的計算，主機和從機的時間差太短，僅有0.14ns,器件很難實現(xiàn)。83 10/vms2233184.2m884.21.4 100.143 10msnsv自由空間傳播損耗：v L(

8、dB)=32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km)v由前面計算主機到從機的距離為:v d=4.2m=0.0042kmv假設(shè)所采用的通信頻率為：v f=50MHZv計算出： L(dB)= 32.44+34-47.5=19(dB)v 得出發(fā)送到接收衰減了19dB計算電磁波的傳輸衰減距離和損耗圖表傳輸距離（d） L(dB)=32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km)0.5m0.44 dB1m6.44 dB2m12.46 dB3m15.98 dB4m18.48 dB方案確定v采用信號強度法（RSSI），利用主機接收到的信號強度得出各從機到主機之間的距離，運算得出定位信息。接收到的功

9、率和定位算法v1）通過接收到的功率可以計算出各從機到主機之間的距離。v2）得到距離D1：主機到從機1的距離 D2：主機到從機2的距離 D3：主機到從機3的距離 D4：主機到從機4的距離0123456789101112123456789101112D3D4D1D2從機從機4位置位置從機從機2位置位置從機從機3位置位置從機從機1位置位置主機主機當(dāng)主機在中間的時候建立D1-D4距離數(shù)據(jù)表格0123456789101112123456789101112D3D4D1D2從機從機4位置位置從機從機2位置位置從機從機3位置位置從機從機1位置位置主機主機當(dāng)主機在左上角落的時候建立D1-D4距離數(shù)據(jù)表格0123

10、456789101112123456789101112D3D4D1D2從機從機4位置位置從機從機2位置位置從機從機3位置位置從機從機1位置位置主機主機當(dāng)主機在左下角落的時候建立D1-D4距離數(shù)據(jù)表格硬件設(shè)計方案v1）射頻端：不需要構(gòu)成半雙工系統(tǒng)，單工系統(tǒng)。v2）主機：能傳輸數(shù)據(jù)給從機；對接收到的從機信號進(jìn)行功率測量。v3）從機：能夠接收主機發(fā)送來的數(shù)據(jù)；能夠發(fā)送固定載波，保證功率一致。硬件設(shè)計框圖（主機）單片機調(diào)制(ASK/FSK)功率檢測(檢波)AD轉(zhuǎn)換切換開關(guān)硬件設(shè)計框圖（從機）單片機解調(diào)(ASK/FSK)放大器(自動增益控制)振蕩器切換開關(guān)軟件設(shè)計-程序流程圖開始初始化主機處于發(fā)送狀態(tài)，

11、各從機處于接收狀態(tài)主機發(fā)送查詢指令：0X01,0X02,0X03,0X04查詢從機1查詢從機2查詢從機3查詢從機4發(fā)送固定載波持續(xù)一段時間,供主機進(jìn)行功率檢測從機1接收到數(shù)據(jù)發(fā)送固定載波持續(xù)一段時間,供主機進(jìn)行功率檢測從機2接收到數(shù)據(jù)發(fā)送固定載波持續(xù)一段時間,供主機進(jìn)行功率檢測從機3接收到數(shù)據(jù)發(fā)送固定載波持續(xù)一段時間,供主機進(jìn)行功率檢測從機4接收到數(shù)據(jù)主機檢測到功率，并計算出到各從機的距離D1,D2,D3,D4。換算出主機目前的坐標(biāo)值結(jié)束查表法得到位置信息v建立一個11*11的二維數(shù)據(jù)表格,通過查表法得到位置信息。建議不要使用算法去計算定位信息，使用太多的數(shù)學(xué)函數(shù)（SIN ，COS）后會增加時間定位時間和增加程序的復(fù)雜度。0123456789101112123456789101112D3D4D2從機從機4位置位置從機從機2位置位置從機從機3位置位置主機主機關(guān)閉從機1，建立D2-D4距離數(shù)據(jù)表格0123456789101112123456789101112D3D1D2從機從機2位置位置從機從機3位置位置從機從機1位置位置主機主機關(guān)閉從機4，建立D1-D3距離數(shù)據(jù)表格定