无线局域定位系统的分析与设计

摘   要： 本文介绍的无线局域定位系统实质上是一个典型射频识别系统(RFID)在个人定位上的应用。文章对该系统设计要点进行了理论分析，并介绍了相应的解决方案。

引言
本文阐述的个人位置跟踪系统是射频识别系统(RFID)在个人定位上的应用，即利用无线链路的方式实现个人的位置定位的系统。系统的频率为433MHz，通信距离为200米。系统分为手持台、基站和信息处理的数据库。基本原理是通过定时发射基站发射同步时钟信号，手持台接收到该信号后，按照一定的次序同接收基站进行数据交换。交换完数据信息后，基站即时更新数据库，并由管理PC机显示，需要时可以报警。
空中链路安排
通常在进行无线接收系统设计之前，必须进行链路预算分析的演示。通过演示，可以预知在特定的输出误码率(BER)和信噪比(SNR)下，为达到设计要求，接收机所需要的噪声系数(NF)、增益、和发射机的输出功率等。由射频理论可知，信号的自由空间损耗：
L(dBm)=20log(4R/)=20log(4Rf/c)
式中：R为通信距离；f为信号频率；c为光速。
当f以MHz为单位，R以km为单位时，可以得到：
L(dBm)=32.45+20logf(MHz) +20logR(km)
若以433MHz作为空中链路频率，则L(dBm)=85.2+20logR(km)。
相应的数值列表如表1。
由于通信距离设定为200米，故空中动态为1米至200米，即动态范围为71.2-25.2＝46dB 。考虑到身体的不同方向衰减30dB，则动态范围达46+30＝76dB。 当然，实际信号在传播过程中往往不止自由空间损耗，还有其它的损耗，这将使空中链路更加恶化。一般通过增加发送的功率，减低接收NF，增加接收增益和提高发射与接收天线增益可以使这些损耗得到补偿。  
手持台的电路由两部分组成：第一部分是单片机，其主要的功能是用于控制射频RF模块和保存与手持台ID相关的信息。射频模块则负责接收和发射基站MCU送来的信号。由于手持台采用电池供电，所以功耗、接收灵敏度以及低工作电压是其重要的指标。

图1  手持台的软件流程图

图2  复时发射基站电路框图

手持台重要的参数有：

手持台的电路可以由CHIPCON公司的单片射频收发芯片CC1000，和TI公司的MSP430F1121微处理器组成。CC1000是一款低功耗、低工作电压、单片UHF无线收发芯片。该芯片主要为工业生产、科技和医药应用方面实现在小范围、短距离通信而设计。频率一般工作在315，433，868和915MHz，但是通过专用软件可以很容易计算出使该芯片运行在300~1000MHz内任一频率上所需的参数，并通过与各种微处理器的配合可以方便快捷地定义其工作状态。MSP430F1121微处理器也是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。它有多种工作模式，工作电流视工作模式的不同为0.1至400uA 。一个中断可以将系统从各种工作模式中唤醒。而RETI指令又使MSP430返回到中断事件发生前的工作模式。因此为手持台节省能耗成为可能。另外通过MSP430微处理器可以完成对CC1000的各种工作状态设置，方便快捷。由这两个IC构成的电路完全可以满足手持台的技术指标列举如下：

手持台的软件流程图如图1所示。
基站的基本特性及软硬件设计如下：

定时发射基站主要的作用是负责每隔一定时间发送一个同步时钟信号给各个手持台。手持台接到信号后即开始用计时器开始计时，不同的手持台计时时间可以通过修改程序使计时时间错开，随后进入休眠状态，等待中断唤醒。
一个区域只可安装一个定时发射台，如果需要多台，则需要GPS定时。根据系统的需要，定时发射台的作用距离为1km，由上文可知路径损耗为85.2dB,接收灵敏度为-96dBm，加上30dB的保护能量，则接收机要求的能量为-96+33＝-66dBm。如果定时发射台的天线是全向的，G＝30dB，则发射机的功率要大于(-66+85.2)dBm=19.2dBm。
按发射功率为1W来设计，设计的定时发射基站的电路框图如2所示。

接收基站主要的作用是负责接收各个手持设备发送的数据信息。并负责将所有的数据信息及时传送给管理PC机，管理PC机根据这些信息即时更新数据库。接收基站可以多点分布。
根据系统设计要求，接收距离按200m来设计。手持台的发射功率为0dBm,加上40dB的保护带，所以接收站接收到的功率为：-71.2-40＝-111.2dBm。
若天线增益收发相抵为0dB，则接收的灵敏度为-111.2dBm，设中频带宽设定为200kHz，则最低的可检测输入功率电平Pmin=-174+53＝-121dBm，此时前端滤波插入损耗L≤4dB，则NF必须<5dB所以电路框图如图3所示。
另外，考虑到在0.001km处，空中链路衰减25.2dB，所以接收基站收到的最大能量为-25.2dBm，由此可得系统的动态为(-25.2+111.2)dB =86dB。
为了保证正常的通路，因此在接收基站，需要加低噪声放大器LNA(G≥15dB，NF1≤2dB),同时要有可调衰减为20dB的自动增益控制电路AGC。
根据实际设计的需要，前端滤波器采用f＝433MHz的声表面波滤波器，其插入损耗L＝1.5dB。由于无源有耗网络的噪声系数为：

系统的噪声系数为：

1.41+0.36+0.38=2.16
则：NF＝3.34dB<5dB，完全满足系统设计的要求。
基站的RF模块也使用单片射频收发芯片CC1000。但是为了节省成本，MCU可以使用51系列单片机。由于CC1000电源的电压为3V，因此需要设计一个从3V电平转换到5V电平的转换电路。转换电路既可以使用专用的电平转换芯片，如Philips公司的74LVC4245 和 Maxim公司的MAX3370，还可以采用CHIPCON公司开发板上的转换电路方案。
当通信范围不是很大的情况下，比如说就在200米范围内，则定时发射基站和接收基站可以合二为一。这时基站的软件流程图如图4所示。

功耗分析
在系统的设计中，由于手持台使用纽扣电池作为系统供电方式。因此，手持台的功耗是设计时重点考虑的问题之一，可以说是本系统成功的关键。为了阐明功耗问题，首先需要分析基本空中数据的传输过程。
根据系统设计的需要，定时发射基站每5s必须作一次定时发射，且系统的容量为256，用19.2k波特率传输数据。136bit的定时码帧格式如下。

图3 接收基站电路框图

图4 基站软件总体流程图

由于一帧数据的容量共为136bit，发送所需时间136×(1/19.2)×10-3=7ms，因而在间隔时间5s内的总容量为(5/7)×103=714 个，由于系统设计容量位256个，故系统容量足够大。
手持台接收到定时发射基站发出的定时信号后，延迟10ms，才相继开始发送数据给接收基站，发送数据完毕即进入休眠状态，减少电源的损耗。接收基站接收完所有的手持台发射来的数据，即时更新数据库，并将结果显示或报警。
发射定时时序的间隔为5s，其中7ms用于发射(10.4mA)；另外的7ms用于接收(7.4mA)。一个手持机将用时间14ms。
故手持台总的耗电量为：
720×7×(10.4+7.4)/3600000=0.02492 mA/小时 
900mA/小时的电池可以使用4.1年。当然，加上MCU的功耗，电池的使用时间将会降低。

结语
本文介绍的个人位置跟踪系统及其解决方案主要功能和参数已经基本达到系统要求。但是在软件特别是在纠错编码方面有待改进。