摘要：精確的位置信息是實現普適計算的要求。提出了基于nRF2401無線收發模塊和超聲波技術的精確定位系統的組成框架和定位算法；并給出了基于nRF2401無線收發模塊組成傳感器網絡的MAC協議和超聲波收發時間差的修正方案。

     關鍵詞：超聲波定位 普適計算 無線電收發模塊 媒體接入控制

隨著計算機技術和無線電通信技術的發展，普適計算（Ubiquitous Computing）將被應用在各種領域，融入到人們的日常生活中，提高人們的生活質量和水平。普適計算的一個前題條件是必須獲取普適計算對象的位置信息，這個位置信息依據普適計算的不同應用，可以是基于區域范圍的，也可以是基于精確坐標的。

    有很多定位技術都可以對物體進行定位，但適合普適計算要求的、對多個移動物體精確定位的、電子系統復雜性低的技術卻并不多。普適計算的應用環境一般在室內，并且要求定位精度達到厘米級，定位系統必須能很方便地在空間布置。基于無線收發模塊和超聲波技術的精確定位系統是一種可行的適合普適計算要求的定位系統。本系統的特點是電子系統復雜性低，容易實現且成本低；定位精度高，容錯性能好；定位信標體積小，可以附著在任何需要定位的移動或不移動物體上；除了被定位物體策動定位請求外，還允許外部網絡策動定位請求和監控被定位物體。

1 定位系統的組成

定位系統的組成如圖1所示。超聲波信標節點由無線收/發模塊、MCU、超聲波發射頭、與被定位物體通信的接口和電源等組成；傳感器節點（即普通節點）由無線收/發模塊、MCU、超聲波接收頭和電源等組成；而中心節點則由無線收/發模塊、DSP、與外部網絡（可用于策動定位請求和監視追蹤目標）的接口等幾部分組成，具有極強的計算能力，用于控制定位系統中超聲波發射和接收的同步。每個普通節點的空間位置在這個定位系統構筑期間已經確定，并存儲在中心節點內。定位請求可以由外部網絡通過中心節點發起，也可以由被定位物體通過其附著的超聲波信標節點發起，分別如圖2和圖3所示。定位請求的主要內容是被定位物體的ID。

    無論是誰發起的定位請求，當中心節點收到定位請求時，馬上以廣播方式發布定位公告（內容包含被定位特體的ID和發起源標志）。超聲波信標節點收到與其所附物體相同ID的定位公告后，馬上發射超聲波信標；而普通節點i(1<i<n)收到定位公告后，便啟動計時器并接收超聲波信號。普通節點一旦接收到超聲波信號馬上停止計數器，此刻計時器對應的時間ti就是該普通節點測得的超聲波收發時間差。每個普通節點把它所測得的時間差發送給中心節點，由中心節點來完成定位計算。

2 定位算法

定位算法是在定位系統的中心節點完成的。超聲波的傳播速度為：

 

式中，T為環境攝氏溫度。

假定被定位物體的三維坐標為（x,y,z）和至少有四個傳感器節點不在同一平面上，則被定位物體到傳感器節點的距離為：

 

很明顯，（2）式是一組非線性超定方程，被定位物體的三維坐標估計值可用最小二乘法求出：

 

可以證明，只要每個傳感器節點對V·ti的測量誤差都滿足N（0，σ2）且相互獨立，則（3）式的結果是最大似然估計。隨著n的增加，它將是無偏估計。

3 定位系統的具體設計與實現

考慮到低成本和小型化的需要，本系統選用Nordic VLSI公司的單片無線收發模塊nRF2401構成無線傳感器網絡。該模塊工作在2.4～2.5GHz的ISM頻段上，典型輸出功率為0dBm，接收靈敏度為-90dB，無線傳輸距離為30～40m，這與20m左右的超聲波測距能力相當。該模塊是收/發半雙工的，總共125個頻道，頻道可以編程設置，頻道間隔為1MHz，頻道切換時間<200μs，還可以對同頻道上工作的模塊進行編址。該模塊支持ShockBurst工作模式，即利用片上FIFO，無線收/發的數據速率可達1Mb/s，而無線收/發模塊與MCU的數據交換速率則可以是低速的，如10kb/s。這樣做的好處是減少了無線電波發射時間、降低了能耗和空中無線電波發生沖突的機會，另外也降低了對MCU的速度要求。該模塊還支持DuoCeiver模式，通過一根天線同時接收兩