摘要：精确的位置信息是实现普适计算的要求。提出了基于nRF2401无线收发模块和超声波技术的精确定位系统的组成框架和定位算法；并给出了基于nRF2401无线收发模块组成传感器网络的MAC协议和超声波收发时间差的修正方案。

     关键词：超声波定位 普适计算 无线电收发模块 媒体接入控制

随着计算机技术和无线电通信技术的发展，普适计算（Ubiquitous Computing）将被应用在各种领域，融入到人们的日常生活中，提高人们的生活质量和水平。普适计算的一个前题条件是必须获取普适计算对象的位置信息，这个位置信息依据普适计算的不同应用，可以是基于区域范围的，也可以是基于精确坐标的。

    有很多定位技术都可以对物体进行定位，但适合普适计算要求的、对多个移动物体精确定位的、电子系统复杂性低的技术却并不多。普适计算的应用环境一般在室内，并且要求定位精度达到厘米级，定位系统必须能很方便地在空间布置。基于无线收发模块和超声波技术的精确定位系统是一种可行的适合普适计算要求的定位系统。本系统的特点是电子系统复杂性低，容易实现且成本低；定位精度高，容错性能好；定位信标体积小，可以附着在任何需要定位的移动或不移动物体上；除了被定位物体策动定位请求外，还允许外部网络策动定位请求和监控被定位物体。

1 定位系统的组成

定位系统的组成如图1所示。超声波信标节点由无线收/发模块、MCU、超声波发射头、与被定位物体通信的接口和电源等组成；传感器节点（即普通节点）由无线收/发模块、MCU、超声波接收头和电源等组成；而中心节点则由无线收/发模块、DSP、与外部网络（可用于策动定位请求和监视追踪目标）的接口等几部分组成，具有极强的计算能力，用于控制定位系统中超声波发射和接收的同步。每个普通节点的空间位置在这个定位系统构筑期间已经确定，并存储在中心节点内。定位请求可以由外部网络通过中心节点发起，也可以由被定位物体通过其附着的超声波信标节点发起，分别如图2和图3所示。定位请求的主要内容是被定位物体的ID。

    无论是谁发起的定位请求，当中心节点收到定位请求时，马上以广播方式发布定位公告（内容包含被定位特体的ID和发起源标志）。超声波信标节点收到与其所附物体相同ID的定位公告后，马上发射超声波信标；而普通节点i(1<i<n)收到定位公告后，便启动计时器并接收超声波信号。普通节点一旦接收到超声波信号马上停止计数器，此刻计时器对应的时间ti就是该普通节点测得的超声波收发时间差。每个普通节点把它所测得的时间差发送给中心节点，由中心节点来完成定位计算。

2 定位算法

定位算法是在定位系统的中心节点完成的。超声波的传播速度为：

 

式中，T为环境摄氏温度。

假定被定位物体的三维坐标为（x,y,z）和至少有四个传感器节点不在同一平面上，则被定位物体到传感器节点的距离为：

 

很明显，（2）式是一组非线性超定方程，被定位物体的三维坐标估计值可用最小二乘法求出：

 

可以证明，只要每个传感器节点对V·ti的测量误差都满足N（0，σ2）且相互独立，则（3）式的结果是最大似然估计。随着n的增加，它将是无偏估计。

3 定位系统的具体设计与实现

考虑到低成本和小型化的需要，本系统选用Nordic VLSI公司的单片无线收发模块nRF2401构成无线传感器网络。该模块工作在2.4～2.5GHz的ISM频段上，典型输出功率为0dBm，接收灵敏度为-90dB，无线传输距离为30～40m，这与20m左右的超声波测距能力相当。该模块是收/发半双工的，总共125个频道，频道可以编程设置，频道间隔为1MHz，频道切换时间<200μs，还可以对同频道上工作的模块进行编址。该模块支持ShockBurst工作模式，即利用片上FIFO，无线收/发的数据速率可达1Mb/s，而无线收/发模块与MCU的数据交换速率则可以是低速的，如10kb/s。这样做的好处是减少了无线电波发射时间、降低了能耗和空中无线电波发生冲突的机会，另外也降低了对MCU的速度要求。该模块还支持DuoCeiver模式，通过一根天线同时接收两