隨著計算機技術和無線電通信技術的發(fā)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^[1]，這個位置信息依據(jù)普適計算的不同應用，可以是基于區(qū)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(tǒng)復雜性^[2]低的技術卻并不多。普適計算的應用環(huán)境一般在室內，并且要求定位精度達到厘米級，定位系統(tǒng)必須能很方便地在空間布置?；跓o線收發(fā)模塊和超聲波技術的精確定位系統(tǒng)是一種可行的適合普適計算要求的定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)的特點是電子系統(tǒng)復雜性低，容易實現(xiàn)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(wǎng)絡策動定位請求和監(jiān)控被定位物體。
1 定位系統(tǒng)的組成
　　定位系統(tǒng)的組成如圖1所示。超聲波信標節(jié)點由無線收/發(fā)模塊、MCU、超聲波發(fā)射頭、與被定位物體通信的接口和電源等組成；傳感器節(jié)點(即普通節(jié)點" title="普通節(jié)點">普通節(jié)點)由無線收/發(fā)模塊、MCU、超聲波接收頭和電源等組成；而中心節(jié)點則由無線收/發(fā)模塊、DSP、與外部網(wǎng)絡(可用于策動定位請求和監(jiān)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(tǒng)中超聲波發(fā)射和接收的同步。每個普通節(jié)點的空間位置在這個定位系統(tǒng)構筑期間已經(jīng)確定，并存儲在中心節(jié)點內。定位請求可以由外部網(wǎng)絡通過中心節(jié)點發(fā)起，也可以由被定位物體通過其附著的超聲波信標節(jié)點發(fā)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(fā)起的定位請求，當中心節(jié)點收到定位請求時，馬上以廣播方式發(fā)布定位公告(內容包含被定位物體的ID和發(fā)起源標志)。超聲波信標節(jié)點收到與其所附物體相同ID的定位公告后，馬上發(fā)射超聲波信標；而普通節(jié)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(jié)點一旦接收到超聲波信號，馬上停止計時器，此刻計時器對應的時間ti就是該普通節(jié)點測得的超聲波收發(fā)時間差。每個普通節(jié)點把它所測得的時間差發(fā)送給中心節(jié)點，由中心節(jié)點來完成定位計算。

2 定位算法
　　定位算法是在定位系統(tǒng)的中心節(jié)點完成的。超聲波的傳播速度為：
　　
　　式中，T為環(huán)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(jié)點不在同一平面上，則被定位物體到傳感器節(jié)點的距離^[3]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(jié)點對V·t_i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(tǒng)的具體設計與實現(xiàn)
　　考慮到低成本和小型化的需要，本系統(tǒng)選用Nordic VLSI公司的單片無線收發(fā)模塊nRF2401^[4]構成無線傳感器網(wǎng)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(fā)半雙工" title="半雙工">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(fā)的數(shù)據(jù)速率可達1Mb/s，而無線收/發(fā)模塊與MCU的數(shù)據(jù)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(fā)射時間、降低了能耗和空中無線電波發(fā)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個頻道的數(shù)據(jù)(第一個頻道可收可發(fā)，設為CH1；第二個頻道只收不發(fā)，且必為CH2=CH1+8MHz)，并且兩路數(shù)據(jù)獨立地以三線制方式輸出。其它參數(shù)和功能可參見參考文獻^[4]。
　　依據(jù)無線收發(fā)模塊的上述功能和參數(shù)以及定位系統(tǒng)所要達到的功能，本系統(tǒng)的無線通信采用簡單的單跳直接通信(包括上行和下行)，因此網(wǎng)絡層相對比較簡單；由于收發(fā)模塊的半雙工工作模式和無線電信道的競爭，本系統(tǒng)的媒體介入層(MAC)較復雜，如圖4所示。

　　中心節(jié)點的第一頻道設置為CH1，并且半雙工可發(fā)可收，而第二頻道(必為CH2=CH1+8MHz)設置為可收，但兩個頻道平時都在收狀態(tài)。普通節(jié)點的第一頻道設置為CH1，并且半雙工可發(fā)可收，而第二頻道(必為CH2=CH1+8MHz)不用。普通節(jié)點平時處在收狀態(tài)，而在需要發(fā)送時，普通節(jié)點依據(jù)預定義的時隙(與其ID關聯(lián))時分發(fā)送(TDMA)。信標節(jié)點的第一頻道設置為CH1，而第二頻道必為CH2=CH1+8MHz，平時都設置為收狀態(tài)。當信標節(jié)點發(fā)定位請求時，它的無線收/發(fā)模塊的第一頻道(因為只有第一頻道才能發(fā))被重配置為CH1+8MHz，與中心節(jié)點和其它處在收狀態(tài)的信標節(jié)點的第二頻道相對應。這樣做的真正目的是為了不干擾中心節(jié)點可能同時在CH1上發(fā)的由外部網(wǎng)絡策動的定位公告，保證外部網(wǎng)絡的定位請求優(yōu)先，而不與移動物體的定位請求競爭。定位請求發(fā)送完畢后，第一頻道恢復為CH1，此時第二頻道也恢復為CH2。很顯然，信標節(jié)點的第二頻道為CH2時，可用于監(jiān)聽別的信標節(jié)點的定位請求。
　　即使這樣，信標節(jié)點發(fā)出定位請求后仍然可能發(fā)生碰撞，而收不到相應的定位公告。其原因有二：其一是由無線收/發(fā)模塊半雙工的工作方式造成的，信標節(jié)點在發(fā)定位請求的同時，中心節(jié)點正在發(fā)外部網(wǎng)絡策動的定位公告；其二是無線電波碰撞，兩個或多個信標節(jié)點同時發(fā)定位請求。為有效解決這個問題，本系統(tǒng)規(guī)定信標節(jié)點在發(fā)出定位請求后的一段時間內收不到與其對應的定位公告時，隨機延遲若干個定位周期，在其CH1和CH2上均未監(jiān)聽到信號后，重發(fā)定位請求。隨機延遲定位周期數(shù)的取值范圍依據(jù)系統(tǒng)的信標節(jié)點數(shù)量(或者最大可容納的數(shù)量)和正常情況下一個信標節(jié)點被請求定位的頻度來確定。
　　在特殊情況下，無線收/發(fā)模塊半雙工的工作方式還會造成中心節(jié)點在發(fā)出外部網(wǎng)絡策動的定位公告后系統(tǒng)收不到超聲波信標，也就是中心節(jié)點發(fā)外部網(wǎng)絡策動的定位公告的同時，與這個定位公告對應的被定位物體正在發(fā)定位請求。發(fā)生這種情況的概率極低，信標節(jié)點的處理方法同上(因為信標節(jié)點也收不到對應的定位公告)，而中心節(jié)點在等不到超聲信標后，出現(xiàn)空閑時就重發(fā)定位請求。
4 超聲波收發(fā)時間差的修正
　　為了準確地測出被定位物體的精確坐標，超聲波的收發(fā)時間差必須測得非常準確。表1是中心節(jié)點發(fā)出定位公告后，與測量時間差有關的事件及對應時刻。

　　在普通節(jié)點中定時器獲得的時間差是T′₇-T₃。很明顯，這不是超聲波所測距離的傳播時間，真正的傳播時間應為T′₅-T′₄。測出每一步的時延，然后再計算出超聲波所測距離的真正傳播時間是復雜和不現(xiàn)實的。只要讓普通節(jié)點的超聲波接收頭與信標節(jié)點的超聲波發(fā)射頭零距離，運行一次，讀取普通節(jié)點中定時器的值t校正，則系統(tǒng)正式運行時，超聲波所測距離的真正傳播時間為：
　　t′i=ti-t_校正(4)
　　用t′_i代替(2)式和(3)式中的t_i，經(jīng)過計算將得到更準確的被定位物體的坐標。