本發(fā)明涉及定位技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及基于聲波和無線定位的移動目標的檢測方法。

背景技術(shù)：

隨著無線終端設(shè)備和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展與結(jié)合應(yīng)用，人們對定位服務(wù)的需求日益增多，特別是室內(nèi)定位服務(wù)。在目前室內(nèi)定位技術(shù)的研究中，二維平面的室內(nèi)定位技術(shù)居多，而三維空間的室內(nèi)定位技術(shù)研究則相對較少，但在實際定位需求中，二維平面的室內(nèi)定位技術(shù)往往不能滿足用戶對位置信息的需求，如在災(zāi)后救援中，被困人員所處的位置不可能只在二維平面上，必須使用三維空間的室內(nèi)定位技術(shù)才能在第一時間獲得被困人員的具體位置信息；在礦井安全監(jiān)測中，由于井下環(huán)境較為復(fù)雜，人員工作地點比較分散，導(dǎo)致二維平面的室內(nèi)定位方法并不適用，只有使用三維空間的室內(nèi)定位技術(shù)才能夠準確了解井下情況；在室內(nèi)環(huán)境檢測中，由于不同的監(jiān)測傳感器所放置的位置不相同，也需要使用三維空間的室內(nèi)定位技術(shù)才能獲取監(jiān)測傳感器有效的位置信息。因此，三維空間的室內(nèi)定位技術(shù)與二維平面的室內(nèi)定位技術(shù)相比，更具有實際意義和應(yīng)用前景。

常見的室內(nèi)定位技術(shù)有：紅外線定位、無線局域網(wǎng)絡(luò)定位、藍牙定位、Zigbee定位、射頻識別定位、超寬帶定位以及超聲波射頻定位等。紅外線定位技術(shù)的定位精度具有局限性，只能判斷移動目標的有無性，在精度上很難提高，且紅外線的穿透性差，很難穿透墻壁等實體障礙物。無線局域網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)需要的基站少，可實現(xiàn)建筑物內(nèi)的無線局域網(wǎng)絡(luò)對位置的感知功能，但跟蹤定位環(huán)境必須支持無線局域網(wǎng)絡(luò)，在條件上具有限制性， 而且每個基站和移動目標都必須是計算機設(shè)備，設(shè)計成本比較高。藍牙定位技術(shù)適用于小范圍定位，設(shè)備體積小，但價格相對昂貴，在復(fù)雜的室內(nèi)空間中，該系統(tǒng)受噪聲信號的干擾大，穩(wěn)定性會有所降低。Zigbee定位技術(shù)主要適合用在自動操作和遠程控制等領(lǐng)域，可嵌入于各種設(shè)備中，具有自組織性、低復(fù)雜度、低功耗、近距離性、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點，但同樣也受定位精度的限制。RFID定位技術(shù)具有體積小、攜帶靈活、成本低的特點，但它受定位時間、定位精度以及室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜度等條件的限制，適用于對精度要求不高的場合。超寬帶定位技術(shù)采用極窄脈沖的時間寬度，它沒有視距要求，系統(tǒng)復(fù)雜度低、具有穿透力強、安全性高、抗多徑干擾效果好、定位精度精確等優(yōu)點。然而目前，國內(nèi)的超寬帶定位技術(shù)僅僅在雷達方面有所研究成效，在其他領(lǐng)域方面基本沒有形成研究規(guī)模；而且相對其他室內(nèi)定位方法，超寬帶技術(shù)用于室內(nèi)定位系統(tǒng)的造價成本較高、功耗也較高。超聲波射頻定位技術(shù)的定位精度能夠達到厘米量級范圍，同時使用者具有自我保密性以及對多個分散物體的可測量性，但是由于超聲脈沖和射頻數(shù)據(jù)的定時和處理都在移動接收器上，會導(dǎo)致缺少系統(tǒng)中心監(jiān)控和管理，增加移動接收器的計算負擔，同時要求電力承載能力要大。

在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在定位設(shè)計成本高，定位不準確等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出基于聲波和無線定位的移動目標的檢測方法，以實現(xiàn)提高對移動目標定位的準確性，降低定位系統(tǒng)的設(shè)計成本優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于聲波和無線定位的移動目標的檢測方法，主要包括：

a.系統(tǒng)初始化；

b.基站的超聲波發(fā)射器和射頻發(fā)射模塊向移動目標節(jié)點周期性 的發(fā)射超聲波和射頻信號；

c.移動目標的射頻接收模塊接收射頻信號后，開始計時等待接收超聲波信號，并對接收的無線數(shù)據(jù)進行判斷，以區(qū)分是哪一個參考節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；

d.基于三邊測量法的原理，采用最小二乘法對移動目標的坐標值進行計算，得出移動目標的坐標；

e.使用卡爾曼濾波方法進行位置動態(tài)估計；

f.將所得數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，由基站發(fā)送到上位機。

進一步地，所述基站設(shè)置為3個，移動目標設(shè)置為1個。

進一步地，每個基站發(fā)射的射頻信號包括該參考節(jié)點的唯一空間ID、坐標和測量的溫度。

進一步地，所述步驟b-d具體為，系統(tǒng)上電啟動時，移動目標周期性發(fā)射超聲波信號和射頻信號，基站接收并計算距離信息，然后匯集信息到主控制模塊上進行目標位置計算；定位啟動后，基站周期性地將位置信息及超聲波脈沖信號發(fā)送出去，移動目標接收到來自每一個基站的信息，在移動目標自身上計算出其目標位置，當定位狀態(tài)不佳時，移動目標開始周期性的發(fā)射超聲波和射頻信號，基站接收并計算距離信息，然后匯集信息到主控制模塊上進行目標位置計算。

進一步地，所述步驟e包括，

預(yù)測過程:

其中，和分別是觀測前k時刻的狀態(tài)預(yù)測平均值和均方差，P_k-1是k-1時刻的均方差，Q_k-1是k-1時刻的過程噪聲，

更新過程:

其中，v_k是k時刻的殘余誤差，S_k是k時刻的測量預(yù)測協(xié)方差，R_k是k時刻的測量噪聲，K_k是濾波增益，m_k和P_k分別是觀測后k時刻的狀態(tài)估計平均值和均方差；

假設(shè)在室內(nèi)環(huán)境中，移動目標處于勻速直線運動方式，它的狀態(tài)可以用離散勻速模型來表述，運動狀態(tài)會受到一定程度的隨機噪聲干擾。對于移動目標來說，定位的狀態(tài)模型函數(shù)應(yīng)為X_k＝[x_k,y_k,z_k]^T，測量模型函數(shù)是：

假設(shè)該移動目標的運動軌跡是x軸在0-6m，y軸在0-2.5m，Z軸在0-1.5m范圍內(nèi)的非線性運動曲線，選取x軸作為參照軸，x軸每間隔1cm則有一測量點(x,y,z)，共600個測量點，可以建立x、y、z軸之間的函數(shù)關(guān)系，得到原始信號的實際值和測量值的數(shù)據(jù)曲線；同時在系統(tǒng)中添加獨立存在的高斯過程噪聲和測量噪聲，得到原始信號的濾波數(shù)據(jù)曲線。

進一步地，所述射頻模塊發(fā)射射頻信號和接收射頻信號的工作過程具體為：

A1、對射頻模塊的控制芯片和收發(fā)芯片初始化，并設(shè)置相應(yīng)寄存器為SPI通信；

A2、單片機產(chǎn)生發(fā)送信號給射頻模塊；

A3、射頻模塊通過寄存器設(shè)置發(fā)送位，再經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器、壓控振蕩器和功率放大管放大信號將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；

A4、移動目標的接收端產(chǎn)生接收信號，經(jīng)過低噪聲放大器和自動增益控制放大器反饋后通過調(diào)制解調(diào)器解碼，通過SPI通信反饋一個數(shù)字信 號，在信號放大階段，該信號與信號強度指示的信號進行比較傳遞給調(diào)制解調(diào)器；

A5、接收的數(shù)據(jù)存儲在緩存器中，并與發(fā)送的數(shù)據(jù)進行比較，是否完整通過LED燈來判斷。

本發(fā)明各實施例的，由于主要包括：基站的超聲波發(fā)射器和射頻發(fā)射模塊向移動目標節(jié)點周期性的發(fā)射超聲波和射頻信號；移動目標的射頻接收模塊接收射頻信號后，開始計時等待接收超聲波信號，并對接收的無線數(shù)據(jù)進行判斷，以區(qū)分是哪一個參考節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；基于三邊測量法的原理，采用最小二乘法對移動目標的坐標值進行計算，得出移動目標的坐標；使用卡爾曼濾波方法進行位置動態(tài)估計；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中對移動目標定位不準確，定位系統(tǒng)設(shè)計成本高的缺陷，具有定位精確，成本低，定位方法簡單易實現(xiàn)的優(yōu)點。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。

下面通過實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。

具體實施方式

以下對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應(yīng)當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

具體地，方案的主要研究目的是給室內(nèi)環(huán)境的移動人員或物體提供精度在厘米量級范圍的實時動態(tài)定位，并給使用者提供可靠性、可測量性、保密性等功能，同時要求具有合理的性價比，確保較低的設(shè)計成本。

室內(nèi)定位的定位參數(shù)是待定位物的三維坐標。該定位系統(tǒng)的主要原理是，根據(jù)三邊測量法，首先通過超聲測距的方法分別測量出某個或多個待定位節(jié)點到已知參考節(jié)點之間的實際距離，另外，已知節(jié)點的三維坐標，將這些數(shù)據(jù)進行集中處理后，計算得到移動目標的定位坐標結(jié)果。

參考節(jié)點分別被固定在天花板上的不同位置，但我們實際測試的時 候，是將參考節(jié)點以等邊三角形的布局方式固定在房間地面。待定位節(jié)點則是被安裝在移動目標上，并且是可以四周隨機移動的。已知參考節(jié)點的布局必須遵循一定的幾何要求，不能同時分布在一條直線上，也不能分布在一個同心圓上，否則，形成的方程組未知量個數(shù)就會大于已知量數(shù)目，導(dǎo)致無法利用三邊測量的最小二乘法進行計算。

超聲波測距的原理是由于超聲波在空氣中的傳播速度是已知的，在超聲發(fā)射器發(fā)送超聲波后，經(jīng)過一段傳播時間，接收器接收到信號，這段傳播時間即為發(fā)送和接收的時間差，然后根據(jù)距離與時間和速度之間的關(guān)系，可以計算出發(fā)送和接收點之間的實際距離。

測距的基本公式如下:

d＝v_us t

其中，d表示發(fā)送和接收點之間的實際距離，v_us表示超聲波在空氣中的傳播速度，一般當室內(nèi)溫度在20℃時傳播速度為344m/s，t表示發(fā)射和接收v_us的測距時間。

由此可見，造成測距誤差的基本影響因素主要包括超聲波的傳播速度及發(fā)送和接收的測距時間。一方面，超聲波的傳播速度受空氣密度的影響，空氣的密度越高，超聲波的傳播速度就越快，然而空氣的密度又與溫度、濕度有著密切的關(guān)系，因此，溫度、濕度等對超聲波的傳播速度有影響，即對超聲測距產(chǎn)生影響。所以，可以通過對溫度和濕度進行補償?shù)姆绞絹硇拚齻鞑ニ俣龋M而提高測距的精度。另一方面，在軟件實現(xiàn)的過程中，通過計數(shù)器來完成對發(fā)送和接收測距時間的計時。超聲發(fā)射和接收器的分離布局會造成測距時間的計時延遲，要提高計數(shù)時間的精度，則需要對超聲波發(fā)射器和接收器之間進行同步處理，即要求保證發(fā)射器信號發(fā)出的瞬間，接收器能夠立刻計數(shù)。本文采用射頻信號作為內(nèi)部同步信號，主要是因為射頻信號的速度接近光速，其傳播時間足夠短可以忽略不計，并且可以在硬件上得以實現(xiàn)。

使用的無線測距芯片是恩智浦(NXP)的JN5168。該IC測距有兩種模 式：無線信號強度測距和TOF無線信號飛行時間測距。

經(jīng)過實驗測試發(fā)現(xiàn)，無線信號強度測距的誤差很大，很難滿足課題需求，而TOF無線信號飛行時間測距則精度要高許多，所以本作品采用的是TOF(Time of Flight)飛行時差測距的方法。在設(shè)備工作過程中，始終保持發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步，為了實現(xiàn)時鐘同步，TOF飛行時差測距方法采用了時鐘偏移量來解決時鐘同步上的問題。但由于TOF測距方法的時間依賴于本地和遠程節(jié)點，測距精度容易受兩端節(jié)點中時鐘偏移量的影響。為了減少這類錯誤的影響，很多時候采用反向測量方法，即遠程節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點接收數(shù)據(jù)包，并自動響應(yīng)，通過平均在正向和反向所得的平均值，減少對任何時鐘偏移量的影響，從而減少測距。

根據(jù)該系統(tǒng)中移動目標上的待定位節(jié)點獲得各個測距值以及各個已知參考節(jié)點的三維坐標值所構(gòu)成的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以計算出待定位節(jié)點的坐標，然而這些測距值和已知參考節(jié)點的三維坐標值是分散在各個節(jié)點上的，需要集中到同一節(jié)點上才能通過數(shù)學(xué)方法進行計算?？紤]到室內(nèi)的布局復(fù)雜，如果采用有線布局，勢必會更加復(fù)雜，增加系統(tǒng)定位的困難程度，而且不利于待定位節(jié)點的移動、線路布置等。隨著無線電射頻技術(shù)的發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢比較明顯，因此，文中采用無線傳輸方式替代有線傳輸方式，使得定位系統(tǒng)利于控制和簡便化。

無線數(shù)據(jù)傳輸，一般也就是無線通信，是指從一個地方向另一個地方進行傳遞和交換信息。實現(xiàn)信息傳遞的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸介質(zhì)，統(tǒng)稱為通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本組成部分，包括發(fā)送端、接收端，以及收發(fā)兩端之間的信道。

基帶信號一般是指沒有經(jīng)過調(diào)制等處理方式的初始信號，該信號的頻率較低，為了使基帶信號能夠在信道中傳輸，使之與信道的傳輸特性要求相匹配，可以通過發(fā)送裝置對基帶信號進行各種變換和處理，其中，發(fā)送裝置可以是由特定的放大、濾波、調(diào)制等電路組成的系統(tǒng)。信道是信號傳 輸?shù)奈锢硗ǖ?，信道中會存在許多不可忽略的隨機噪聲干擾，同時，整個通信系統(tǒng)中同樣也存在大量噪聲。在接收端，接收裝置的功能與發(fā)送裝置的相反，它能夠從接收到的信號中恢復(fù)出對應(yīng)的初始信號。信宿是指將還原的初始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的具有實際意義的數(shù)據(jù)信息。

由于射頻信號頻率足夠高可以在空間快速傳播，本文選用射頻信號作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，在系統(tǒng)的設(shè)計中射頻信號可以攜帶坐標信息、測距值、電路板及環(huán)境周圍的溫度值等。

根據(jù)移動目標和已知參考節(jié)點的布局情況，系統(tǒng)的定位方案可以設(shè)計為：移動目標主動發(fā)送信號和移動目標被動接收信號兩種方式。

主動方式是指移動目標上的待定位節(jié)點主動地周期性發(fā)射超聲波和射頻信息，參考節(jié)點接收并計算距離信息，然后再匯集信息到主控制模塊上進行目標位置的計算；主動方式可以避免錯誤信息的干擾，對移動目標的定位較容易，而且精度較高，但是計算量較大，需要多次進行信息的無線傳輸，增加了設(shè)備的使用量和設(shè)計成本。

被動方式是指固定在特定位置的參考節(jié)點周期性地將它們的位置信息以及超聲波脈沖信號發(fā)送出去，然后待定位節(jié)點接收到來自每一個參考節(jié)點的信息，在移動目標自身上計算出其目標位置。被動方式中移動目標一次只能接收來自一個已知參考節(jié)點的信號，不能同時計算與各個參考節(jié)點之間的距離，而且各個參考節(jié)點發(fā)送信號的間隔很小，勢必會導(dǎo)致不同參考節(jié)點間信息的相互干擾，增大了計算誤差，導(dǎo)致精度降低。但該定位方式只需要參考節(jié)點向移動目標發(fā)送信息，移動目標就能夠計算得到自身的目標位置，節(jié)約了定位時間和設(shè)備的使用頻率，移動目標的位置私密性較好。

本系統(tǒng)結(jié)合兩者的優(yōu)缺點，采用一種組合方式，使兩者起到互補作用；

該組合方式的原理是：當系統(tǒng)開始上電工作時，使用主動方式，通知參考節(jié)點開始發(fā)送信號，定位啟動后，將一直采用被動方式進行連續(xù)的動 態(tài)定位，定位過程中可能會遇到定位誤差增大或者濾波誤差效果不好的問題，一旦檢測到系統(tǒng)狀態(tài)不佳，將再次切換到主動方式對定位進行位置糾正。該方式可以得到和主動方式相當?shù)臏y量精度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)移動目標位置的保密性要求。不足的是，在被動定位時不同參考節(jié)點間的信息會相互干擾。針對這個問題系統(tǒng)將采取一定的抗干擾措施，減小系統(tǒng)的定位誤差。

由系統(tǒng)的設(shè)計原理以及定位方式可知，該室內(nèi)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括若干已知參考節(jié)點、移動目標裝置上的待定位節(jié)點等。該室內(nèi)定位系統(tǒng)對單目標進行定位時待定位節(jié)點只有一個，如果對多目標定位時可以有若干個待定位節(jié)點。系統(tǒng)中各個已知節(jié)點和待定位節(jié)點分別包含硬件電路和軟件通信協(xié)議等內(nèi)容，已知信號在天花板上的節(jié)點硬件和移動目標硬件之間的信號傳送，共同實現(xiàn)整體的定位功能。

硬件部分的作用是給定位系統(tǒng)提供控制、發(fā)送與接收的驅(qū)動電路，主要依據(jù)功能要求對硬件部分進行設(shè)計；其中，已知參考節(jié)點和移動目標的待定位節(jié)點中每個節(jié)點的硬件電路部分，分別包括射頻收發(fā)模塊、超聲波發(fā)射和接收器、單片機系統(tǒng)、電源模塊、上位機通訊部分等。單片機控制器通過接口程序控制各個模塊部分，實現(xiàn)正常的超聲波和射頻信號的收發(fā)、顯示、控制以及所需的各種參數(shù)的測試與監(jiān)視

定位算法主要是結(jié)合三邊測量法的最小二乘法進行計算，同時使用濾波算法進行數(shù)據(jù)誤差的濾波處理，減少室內(nèi)環(huán)境的隨機噪聲給系統(tǒng)帶來的影響；另外，多個節(jié)點同時通信必然存在信號之間的干擾，必須具備抗干擾措施，防止系統(tǒng)無法正常工作。

對于射頻模塊，選用JN5168無線控制器。JN5168是一款超低功耗、高性能的無線SOC模塊。它使用戶能在最短的時間內(nèi)，以最經(jīng)濟的設(shè)計實現(xiàn)基于IEEE802.15.4或ZigBeePRO的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，減少了用戶進行RF射頻設(shè)計和封裝的時間，具有簡單易用的特點。同時，該無線控制器還具有高性能 的CPU、超低功耗、大容量存儲、優(yōu)異RF性能等特點。而且其包含了豐富的外圍器件接口，可以滿足不同方面的需求，降低開發(fā)成本。

JN5168兼容多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，支持點對點、星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等組網(wǎng)方式，能夠滿足各種標準以及非標準的網(wǎng)絡(luò)拓撲需求，具有一個平臺，多種方案的優(yōu)勢與特點。

該無線控制器配置了高性能的32位RISC處理器，內(nèi)嵌Flash和E2PROM，通過可變寬度指令、多級指令流水線、低功耗與可編程時鐘速度來提高代碼效率。同時片上還具有一個符合IEEE802.15.4 2.4GHz標準的無線收發(fā)器以及一系列豐富的模擬、數(shù)字外設(shè)。配合超低的工作電流和低功耗睡眠特性，可以使設(shè)備利用紐扣電池供電并延長電池的壽命。

與芯片同時推出的還有一系列滿足各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線組網(wǎng)協(xié)議棧，例如JenNet-IP、ZigBee Pro Home Automation、ZigBee Pro Light Link、ZigBee Pro Smart Energy和ZigBee RF4CE等協(xié)議棧；極大地簡化了使用JN516x系列無線微控制器開發(fā)家庭自動化、智能能源、智能照明、智能醫(yī)療和遠程控制等應(yīng)用的難度，加快了開發(fā)進度。

A7139芯片是臺灣笙科電子(AMICCOM)公司最近研制出的一款低成本、高效率工作在1GHz以內(nèi)的收發(fā)模塊，且在1GHz以內(nèi)所有常規(guī)ISM頻段均可應(yīng)用。此模塊目前已經(jīng)超大量應(yīng)用于國標智能無線抄表及物聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)等雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)方案，該模塊具有低功耗、高接收靈敏度、高發(fā)射功率等諸多優(yōu)點，是應(yīng)用于長短距離無線數(shù)據(jù)傳輸方案中的首選模塊。A7139可以通過射頻電路和天線實現(xiàn)發(fā)送和接收射頻信號的功能。

A7139主要利用RF0和RF1端口來發(fā)送和接收信號，經(jīng)過芯片內(nèi)部一些寄存器位來檢測是否發(fā)送和接收，當然也包括通過設(shè)置相關(guān)SPI接口的寄存器來連接信號。單片機輸出或者輸入的數(shù)字信號都需要對A7139中SPI寄存器相應(yīng)的功能位進行設(shè)置從而產(chǎn)生相應(yīng)促發(fā)接收或者發(fā)射的信號，然后進行調(diào)制解調(diào)器的分析，經(jīng)過壓控振蕩器(VCO)和功放管(PA) 來放大信號進行發(fā)射。接收方式時，接收的射頻輸入信號經(jīng)低噪聲放大器(LNA)和自動增益控制放大器(AGC)反饋調(diào)節(jié)放大后翻轉(zhuǎn)進入混頻器，通過混頻器混頻產(chǎn)生中頻信號(IF)。在中頻處理階段，該信號同時發(fā)送信號給ADC寄存器，設(shè)置相應(yīng)寄存器位和接收的信號強度(RSSI)指示的控制寄存器。這種特殊的結(jié)構(gòu)確定了室內(nèi)定位系統(tǒng)可以使用控制器單片機芯片對A7139進行收發(fā)狀態(tài)的選擇和控制，它們之間可通過SPI口進行數(shù)據(jù)傳輸。

射頻模塊主要是無線通信，STM8與A7139通過SPI口通信。硬件上將A7139的CKO、GPIO1和GPIO2與STM8的PB0、SPI_MISO和PD0引腳相連，還有SDIO、SCK和SCS引腳與STM8的SPI_MOSI、SPI_SCK和SPI_NSS引腳連接，單片機通過將SCS引腳置低電平來訪問A7139相關(guān)寄存器，在SCK的上升沿時SPI的數(shù)據(jù)將會被鎖存在寄存器中，因此想要發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)處在SCK的下降沿時。還存在一下A7139的外圍電路，主要的設(shè)計依據(jù)是根據(jù)它的頻率進行設(shè)置，本文采用的是433MHz，基本的外圍電路該硬件電路主要包括濾波電容、旁路電路和RF匹配、濾波、電源藕合、SPI接口設(shè)計等。

室內(nèi)定位系統(tǒng)主要是對室內(nèi)攜帶有移動射頻標簽的移動目標進行位置定位，需要完成信息的采集、傳輸、處理和顯示。為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要包含RFID信息采集系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、定位數(shù)據(jù)中心和定位顯示系統(tǒng)，其中，RFID信息采集系統(tǒng)主要通過RFID讀寫器對多個移動目標上攜帶的RFID標簽進行信息的采集和數(shù)據(jù)的傳輸；無線傳輸系統(tǒng)是將RFID讀寫器傳輸過來的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)男问絺鬟f給定位數(shù)據(jù)中心；定位數(shù)據(jù)中心根據(jù)實時數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)進行移動目標的位置估計定位和歷史數(shù)據(jù)的查詢；定位系統(tǒng)通過定位顯示界面進行實時定位和監(jiān)控室內(nèi)移動物體。

定位過程中，當各個節(jié)點和模塊正常上電后，就可以開始定位，參考節(jié)點將在定位過程中周期性地發(fā)射超聲波和射頻信號，移動目標所在的待定位節(jié)點等待接收信號。移動目標接收到射頻信號后，即實現(xiàn)了射頻同步， 待定位節(jié)點開始計時等待超聲波信號的到達，同時分別對無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行判斷，以便區(qū)分數(shù)據(jù)來自哪個節(jié)點，最后按照定位原理進行坐標計算。在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，每個參考節(jié)點的射頻模塊周期性地發(fā)射射頻信號，包括的信息內(nèi)容主要由唯一的空間ID、坐標和測量的環(huán)境溫度等組成。

結(jié)合射頻信號的內(nèi)容、發(fā)送和接收方式的要求，設(shè)計步驟主要如下：

1.對控制芯片和射頻芯片進行初始化，設(shè)置相應(yīng)寄存器為SPI通信。

2.主芯片產(chǎn)生發(fā)送信號給射頻模塊。

3.射頻模塊通過寄存器設(shè)置發(fā)送位，再經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器、壓控振蕩器和功放管放大信號把緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

4.接收端產(chǎn)生接收信號，經(jīng)過低噪聲放大器和自動增益控制放大器反饋后通過調(diào)制解調(diào)器解碼，通過SPI通信反饋一個數(shù)字信號。在信號放大階段，該信號與信號強度指示(RSSI)的信號進行比較傳遞給調(diào)制解調(diào)器。

5.接收的數(shù)據(jù)存儲在緩存器中，并與發(fā)送的數(shù)據(jù)進行比較，是否完整通過LED燈來判斷。

射頻信號的發(fā)送主要是由單片機輸出的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)編碼，然后通過信道編碼的方式轉(zhuǎn)變成數(shù)字基帶信號，再通過數(shù)字調(diào)制的方式將數(shù)字基帶信號變成數(shù)字頻帶信號，該數(shù)字頻帶信號可以通過天線發(fā)送到信道中。

射頻信號的接收過程，則與發(fā)送過程相反，先進行數(shù)字解調(diào)將數(shù)字頻帶信號變成數(shù)字基帶信號，再進行信道解碼，最后數(shù)據(jù)解碼，得到所需的數(shù)字信號。

在系統(tǒng)的定位過程中，由于信道中不可避免的存在加性噪聲，導(dǎo)致信道對無線通信具有十分重要的影響因素。加性噪聲與有用信號之間是獨立的相加關(guān)系，并且是始終存在的。信道中加性噪聲的來源比較廣泛，主要存在過程噪聲和測量噪聲兩種隨機的獨立噪聲，它們均是由熱噪聲、散彈 噪聲等高斯白噪聲組成。

由于信號和噪聲均可能具有連續(xù)的功率譜，即使濾波器具有非常理想的頻率響應(yīng)，也不可能完全濾除掉噪聲，并且不能保證信號波形的不失真。因此，針對該室內(nèi)定位系統(tǒng)需要選擇一種能夠使誤差最小的濾波方法。目前，最好的濾波方法就是通過設(shè)計出最優(yōu)的濾波理論來實現(xiàn)信號的干擾噪聲處理。本文采用了卡爾曼濾波算法進行去噪處理。

卡爾曼濾波是以最小均方誤差為估計的最佳準則的一套遞推估計的算法,其基本思想是采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型,利用前一時刻的估計值和現(xiàn)時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計,求出現(xiàn)時刻的估計值。

濾波算法中采用的是離散濾波模型:

x_k＝A_k-1x_k-1+q_k-1

y_k＝H_kx_k+r_k (2)

其中，x_k是k時刻的狀態(tài)值，y_k是k時刻的測量值，A_k-1是k-1時刻的狀態(tài)模型轉(zhuǎn)移矩陣，q_k-1是k-1時刻的過程噪聲，H_k是k時刻的測量模型測量矩陣，r_k是k時刻的測量噪聲。

卡爾曼濾波過程主要分為兩個步驟:

預(yù)測過程:

其中，和分別是觀測前k時刻的狀態(tài)預(yù)測平均值和均方差，P_k-1是k-1時刻的均方差，Q_k-1是k-1時刻的過程噪聲，

更新過程:

其中，v_k是k時刻的殘余誤差，S_k是k時刻的測量預(yù)測協(xié)方差，R_k是k時刻的測量噪聲，K_k是濾波增益，m_k和P_k分別是觀測后k時刻的狀態(tài)估計平均值和均方差。

假設(shè)在室內(nèi)環(huán)境中，移動目標處于勻速直線運動方式，它的狀態(tài)可以 用離散勻速模型來表述，運動狀態(tài)會受到一定程度的隨機噪聲干擾。對于移動目標來說，定位的狀態(tài)模型函數(shù)應(yīng)為X_k＝[x_k,y_k,z_k]^T，測量模型函數(shù)是：

在MATLAB中，模擬實驗室環(huán)境，實驗室尺寸是10mx5mx3m，假設(shè)該移動目標的運動軌跡是x軸在0-6m，y軸在0-2.5m，Z軸在0-1.5m范圍內(nèi)的非線性運動曲線。選取x軸作為參照軸，x軸每間隔1cm則有一測量點(x,y,z)，共600個測量點，可以建立x、y、z軸之間的函數(shù)關(guān)系，得到原始信號的實際值和測量值的數(shù)據(jù)曲線；同時在系統(tǒng)中添加獨立存在的高斯過程噪聲和測量噪聲，得到原始信號的濾波數(shù)據(jù)曲線。

結(jié)合上述的定位方法，首先，基于三邊測量法的原理，采用最小二乘法對移動目標的坐標值進行計算，已經(jīng)可以避免較大的誤差和無解情況；然后，再使用卡爾曼濾波算法進行位置動態(tài)估計，減少誤差，最終可以實現(xiàn)精確的室內(nèi)移動目標定位。

在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，射頻技術(shù)是一種關(guān)鍵技術(shù)，是實現(xiàn)無線定位的必然手段，而且，射頻技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合的方式不同，定位效果不同，精度也不盡相同。本文采用的基于射頻技術(shù)與超聲波技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)方案，以及所采用的定位方式和濾波算法，是在所有定位方法中，定位精度相對最佳的。

分析定位三邊測量法的基本原理，采用節(jié)點冗余法以及最小二乘法來提高定位坐標的精度；通過分析超聲波測距的原理，采用在發(fā)送端與接收端之間的射頻信號同步設(shè)置來提高測距的精度；射頻模塊同時充當無線數(shù)據(jù)的傳輸媒介；定位方式采用的主動定位與被動定位方式相結(jié)合的方法，該方式靈活可靠，有利于動態(tài)定位。

在射頻模塊的設(shè)計中，主要采用低成本、低功耗、可編程A7139芯片，它的數(shù)據(jù)傳輸速率大，提供數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖等功能。利用STM8L051F3單片機對射頻模塊進行發(fā)送和接收控制，實驗驗證了系統(tǒng)穩(wěn)定性和工作可 靠性。

由于在室內(nèi)環(huán)境中存在大量隨機噪聲的干擾，為進一步提高定位的精度，濾除定位中包含的過程隨機噪聲和測量隨機噪聲對信號的干擾，本文采用卡爾曼濾波算法對信號進行濾波處理，該方法相對于之前的測量結(jié)果來說，精度得到了提高。

至少可以達到以下有益效果：降低定位系統(tǒng)的設(shè)計成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時提高了定位精度

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。