專利名稱：一種群移動通信系統及其節點機裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種群移動通信系統及其節點機裝置，屬于移動通信裝置技術領域。
背景技術：
目前在移動通信中對移動節點的定位技術有以下主要特征
I、單個節點只有一個無線射頻收發模塊，多用來傳遞和交換自身傳感器所獲得的數據；2、位置定位只針對單個孤立節點，忽略各個節點之間可能存在的緊密的業務關系;3、多采用GPS定位系統作為信標或者固定位置節點作為信標來對移動節點進行位置評估，所得到的位置信息為估測信息；4、移動節點的能耗最小化考慮放在第一位，對位置信息的要求不高；5、對稀疏相鄰移動節點之間的方向性無法預測，只能預測到以一定距離為半徑的圓周路徑，方位角度的具體信息需要多個移動節點進行估計算法方能推導計算出；6、目前全部采用全球定位系統(GPS)終端定位最大可以達到25米圓周的定位范圍，但GPS無線通信對地面有遮擋物比如橋梁和坑道，則無法完成定位工作，且25米的定位范圍對群移動相鄰成員之間定向測距精度要求無法達到。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在于針對背景技術的缺陷和不足，提出一種適合在3km范圍內，節點機數量為2 26個之間的群組移動場景下，各節點機獲知自己在群組中的相對位置以及距離信息的裝置。本實用新型為解決上述技術問題，采用以下技術方案ー種群移動通信系統中的節點機裝置，包括用于向節點機裝置供電的供電模塊、數字指南針模塊、兩個射頻收發模塊、微控制単元MCU、存儲器単元、開關陣列；其中，所述數字指南針模塊與微控制単元MCU之間采用I2C總線連接；所述兩個射頻收發模塊、存儲器単元分別通過數據總線與微控制単元MCU的I/O端ロ連接；所述開關陣列與微控制単元MCU的控制端ロ連接。作為本實用新型的群移動通信系統中的節點機裝置的進ー步優化方案，還包括與微控制單元MCU連接的TFT液晶顯示模塊。作為本實用新型的群移動通信系統中的節點機裝置的進ー步優化方案，還包括與微控制単元MCU連接的揚聲器及耳脈接ロ，所述揚聲器及耳脈接ロ依次通過阻抗匹配電路、模數轉換電路與微控制單元MCU連接。作為本實用新型的群移動通信系統中的節點機裝置的進ー步優化方案，存儲器單元包括靜態隨機存儲器SRAM、閃存Flash，其中所述靜態隨機存儲器SRAM、閃存Flash分別與微控制單元MCU連接。作為本實用新型的群移動通信系統中的節點機裝置的進ー步優化方案，兩個射頻收發模塊的天線之間的距離為H=O. 16米。作為本實用新型的群移動通信系統中的節點機裝置的進ー步優化方案，供電模塊包括充電電路和電池，其中充電電路采用振動式充電結構，在移動中產生機械カ隨時對電池進行充電，并由電池進行供電。本實用新型還提出一種群移動通信系統，包括N個節點機裝置，各節點機彼此之間的距離為直徑100米的圓周范圍內，其中2彡N彡26。本實用新型采用以上技術方案，具有以下技術效果 本實用新型的節點機裝置可以對非成員節點機的位置估算，以及成員間障礙物所處位置以及長度的估計數據顯示，在群移動場景下進行的測試表明，與単射頻收發模塊的節點機相比，具備以下技術技術指標(I)工作電源 +3. 6 5. 5V ；(2)工作時電流〈100mA，休眠時電流〈10mA;(3)共三個工作頻點 2. 4GHz/915MHz/868MHz ；(4) MAC 層工作協議 ffiEE 802. 15. 4 ；(5)最大數據傳輸速率250Kb/s (典型模式)，20/40kb/s (替代模式)；(6)單節點機覆蓋范圍(Tl00m (視距空間無障礙物)；(7)最大接收靈敏度一 87 ー 98 dBm (典型模式)，一 92dBm ；(8)最大發送功率(T+5dBm;(9)單節點機方向性定位精度〈=0. 5度(視距無障礙)；〈=1度(繞射障礙物)；<=3度(完全障礙物遮擋);(10)單節點機距離測量精度〈0. 3米(視距無障礙)；〈=30米(繞射障礙物)；<2米(完全障礙物遮擋)。
圖I是本實用新型裝置的模塊圖。圖2是群移動通信系統的工作示意圖。圖3是Zigbee協議棧與TCP/IP協議棧的映射關系圖。圖4是能量最大相鄰節點機的測距定向不意圖。圖5是小型障礙物遮擋節點機時的測距定向示意圖。圖6是障礙物遮擋節點機的測距定向示意圖。圖7是群組移動液晶顯示及按鍵示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型在群移動通信網絡中的具體實施使用做進ー步的詳細說明。本實用新型適用在群組成員2 26之間，單節點機100米距離內(增強發射功率的節點機可以達到3Km，但能耗下降很快)。在直徑為100米的圓周內，節點機數量在2 26內，無須借助時延較大的衛星GPS定位(衛星通信最小時延在270ms)的群移動通信系統內部彼此成員之間的距離測量、方向定位。如群組成員數量上升為5(Γ100之間，位置更新時延將達到Is左右，定位精度也會相對下降。節點機定位測距的工作原理是對相鄰能量最大節點機，通過雙射頻收發模塊接收到的同一無線射頻計算相位差而獲得定向和測距數據，對有直接障礙物的節點機通過繞射計算法或者群組內數據傳遞法獲得準確的數據信息。本實用新型的裝置硬件組成如圖I所示，包括與充電電路連接的電池供電電路，數字指南針模塊，一對采用Zigbee協議射頻收發模塊A和B，存儲器単元，開關陣列，揚聲器/耳脈接ロ，TFT液晶顯示模組。其中所述電源電路用于供電，指南針模塊通過I2C接ロ向MCU提供準確的南北方位數據，所述射頻收發模塊A和B與MCU對稱相連，且兩個射頻收發模塊的天線之間的距離H為固定值為O. 16米，所述TFT液晶顯示模組與MCU相連。其中，MCU采用MSP430F型號單片機，它可以在極低的工作電壓1.8 3. 6V之間均正常工作，在激活Active模式下，工作電流僅280uA，MSP430單片機內部有3個時鐘信號，且其具有豐富的外圍接ロ，包括標準串ロ、SPI接ロ、I2C接ロ等。MCU模塊是節點機裝置的核心部分，控制流程主要包括初始化裝置，對數據進行處理和計算，送給無線射頻收發模塊A和B進行發送測探信號，同時也要處理無線射頻收發模塊A和B接收到的數據信息，井根據數據的運算處理后將數據存儲在SRAM上，同時通知液晶顯示模塊進行更新群組位置信息，對群組異常情況可以通過揚聲器外放或者通過耳脈接ロ通知群組成員告警信息。采用Zigbee協議的無線射頻收發模塊是本實用新型節點機的兩個靈敏的探測觸角，在印制PCB電路上，采用了 CC2430芯片加上外圍電路共同組成，CC2430是ー顆真正的系統芯片(SOC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以Zigbee為基礎的
2.4GHz ISM波段應用對低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能2. 4GHz DSSS (直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆エ業級小巧高效的8051控制器，CC2430由于是無線SOC設計，其內部已集成了大量必要的電路，采用較少的外圍電路即實現信號的收發功能。表I Zigbee無線信道的組成
信道編號丨寧心頻率/MHz 言道間隔/MHz~丨贊率上限/MHz丨頻率下限/MHz~
K=O868. 3868.6868.0
K=I, 2,...... 10 902+2 (k-1) 2928.0902.0
K=Il, 12......26 ]2401+5(k-ll)5l' 2483.52400. O節點機裝置采用了單極不平衡天線，為了優化無線接收靈敏度性能，使用了不平衡變壓器，不平衡變壓器可以運行在使用低成本的単獨電感器和電容器的場合。圖2是ー個典型的群移動通信系統工作的場景，即有Α，B, C，D四個節點機共同組成的群組，其中A為主節點機，該群組在A的帶領下向東北方向運動，各節點機均能獲知其他節點機的準確位置及液晶顯示，井根據主節點機的運動方向調整各自的運動軌跡，其中C節點機在某一個運動時刻被障礙物遮擋，其具體位置信息及相關障礙物大小信息將被估計并顯示在液晶顯示屏上。由于群通信系統的群組內部通信特性，即成員內部授權通信特征，而無線通信的最大特點是發散廣播型，所有無線信號覆蓋區域均能通信。因此圖3表明了傳統的TCP/IP協議棧與Zigbee協議棧的對應關系，其中數據鏈路層即Zigbee協議的無線碰撞接入層，采用的IEEE802. 15. 4標準，而加密的網絡層可以防止入侵節點機偽裝成合法成員進入群組。在IEEE 802. 15. 4中定義了 14個物理層基本參數和35個媒體接入控制層基本參數，總共為49個，在IEEE 802. 15. 4中定義了兩種器件全功能器件(FFD)和精簡功能器件(RFD)。對全功能設備，要求它支持所有的49個基本參數。而對精簡功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數。這些基本參數的獲取是節點機裝置對接收到的無線信號進行數據計算的最重要的依據。本實用新型的具體工作過程可以分為初始化過程和群移動通信過程。A，初始化過程Al，一定數量的節點機裝置集中在直徑5m之內的無線信號覆蓋范圍內，由使用者對節點機的功能進行初始化設定。 Al. 1，群組成員屬性設置，包括主節點機的設定，指定群移動通信系統中的組長，通過設置開關陣列，設置為Master模式，超過兩個以上的Master模式的節點機將默認優先設置的節點機；普通群成員節點機的設置為Slave模式；各成員可以選擇自己個性化的稱呼，比如“John”或“Mary”，將用于液晶顯示上的用戶的識別。Al. 2，節點機其他屬性的設置，為保證群組移動中的隱蔽性，或者是節約電能采用最小能量工作模式，各節點機可以設置成單無線射頻收發模塊運行模式，是否語音提示模式，是否液晶顯示模式，是否啟動指南針模式等。B，群移動通信過程BI，群移動通信中主節點機的切換過程由于在群移動運動中，原先的主節點機可能掉電或者為了省電切換成節點機，因此需要將組長權限授權給某一節點機裝置，切換結束后需要廣播通知給所有群組成員。B2，群移動中節點機握手過程即群組成員內部節點機的協商過程，并生成無環回路的支撐樹(Spanning Tree)，支撐樹的兩個節點機之間以最大能量有限為鄰居節點的建立原則，每個節點將支撐樹信息存儲在SRAM中。B3，測距過程對已握手成功的對端在Tl時刻發出測距詢問消息，并記錄Tl時刻相關參數，對端收到測距消息后返回測距應答消息；由于節點機裝置具有一對無線射頻收發模塊，均收到了來在同一對端的測距應答消息，并記錄相關參數，經過ー組數學計算及估算，可以獲知對端的方位角度和距離數據。B3. 1，相鄰視距節點機測距定向過程群移動通信系統中，最主要的場景是視距無遮擋范圍內的節點機定向測距，如圖4所示。節點機A和B之間在100米以內無障礙，且A和B之間滿足能量最大化開環原則，及B是A的最大能量鄰居節點，且B是支撐樹上ー個成員(防止閉環的叮當效應)，節點A的兩個射頻收發模塊射頻I和射頻2，向相鄰節點B發出測距信號，通信成功后分別接收到節點機B的射頻3、射頻4的信號，由此獲知節點B的能量參數和數據返回時刻，能量參數可以預估輻射半徑的距離LI，而返回時延的先后可以用來測量方向角度信息，及取D(3，I)和D(4. I)的中心夾角作為節點機B的方向，由D(3，I)發出至D(4，I)返回時間減去固定的節點機B的處理時延，乘以光速3*108即可計算出準確距離L2。[0064]B3. 2，小型障礙物遮擋節點機時的測距定向由于群移動運動過程中節點間之間會短時間出現障礙物，按照電磁波繞射理論，電磁波能繞射過接近于自身波長的障礙物。本實用新型的節點機由于采用了雙射頻收發模塊，客觀上抵消了常規障礙物遮擋的影響。節點機工作示意如圖5所示，節點機A周圍僅收到B信號，當使用B3. I的方法得出的LI和L2之間的誤差達到10%以上，判定A和B之間出現了小型障礙物，通過對繞射點M和N點分別進行定向和測距，可以計算出物理D(M，N)的大概長度，誤差范圍為O. 3米，由于D (M, N)長度顯然超過節點機射頻天線距離H，則進一歩判定為障礙物而非節點機B，該節點機B的方位用Z MlN的中心角+ Z M2N的中心角的和除以2來標注，節點機B的距離與Z MlN的中心角射線與Z M2N的中心角射線的交叉點的距離來模擬標識，如圖5中的圏點所示。B3. 3，障礙物遮擋節點機的測距定向對大型障礙物遮擋造成部分節點機之間信號丟失的情況，由于群移動通信系統中成員之間位置在某一時間段相對穩定，即各節點機維持ー個相對穩定的支撐樹路徑，各節點機將通過無線數據的傳遞各自所獲取的相鄰節點成員的定位測距數據，如圖6所示，節點機A將通過節點機B的傳遞，獲知節點機C的方位角和距離，由此進行三角測距算法估算出C的近似方位角度和距離。B4，位置更新過程所有群組成員通過B2步驟獲得的支撐樹路徑進行交互信息，將自身無法獲得的節點機的測距信息通過支撐樹進行傳播，最終獲得所有成員節點機的信息，并存儲入SRAM中。液晶顯示模塊與SRAM共享數據總線，由此液晶顯示直接讀取指定數據段內容并輸出顯示。而MCU定時比對群組信息，如發現有更新內容，則寫入SRAM，發送至揚聲器/音頻輸出提示語音，同時通過控制信號通知液晶顯示模塊刷新數據。C，語音提示提示內容示例，在群移動過程中，揚聲器可外放語音通知，或者使用耳脈輸出語音提醒，部分語音提示內容如下I)啟動 Master 模式；2)啟動 Slave 模式；3)正在進行注冊；4)成員注冊完畢；5)群組當前運動是東北兩點鐘方向；6)警告本機已脫離群組；7)警告東南兩點鐘位置10米處不明物接近；8)已切換為Master模式。D，群移動位置液晶顯示如圖7所示，一共六個按鍵共兩排，第一排按鍵從左往右表示屏幕向左移，向上移動，向右移動；第二排按鍵從左往右表示屏幕縮小，向下移動，屏幕放大。其中“屏幕縮小”鍵還用做菜單(Menu)功能鍵和返回(Exit)鍵，“屏幕放大”鍵還用做確認(Return)鍵，用在進行功能設置時的用戶根據液晶顯示的選項進行確認和返回。初始化中的群移動狀態如圖7所示，中央位置是節點機自身位置，節點機A為主節點機，C、D為另外兩名成員，液晶顯示了群組內各成員的位置，方向、距離數據，對自身與C之間還示意性標注了障礙物的估算位置。液晶顯示通常只標注顯示相鄰若干個節點機的方位和距離，以及主節點機的方位，因為群移動的總體方向是由主節點機的運動方向決定的，節點機基本遵循群組移動方向進行運動；在大容量群移動通信過程中，如需全部成員信息，可以通過屏幕移動的四個按鍵“上” “下” “左，，“右”以及“放大” “縮小”進行感性查詢。群移動通信系統測試表明，在2 26個節 點機，群組范圍在100米之內(視距無遮擋)，移動速度在5公里/小時(歩行速度約I. 5米/秒)至20公里/小時(行軍速度)，方向定位最大誤差為I度，距離誤差最大為2米，定位信息更新時間為150毫秒。群移動通信系統測試表明，在群組成員5(Γ100個節點機，定位信息更新時間將增加到500毫秒 I秒。群移動通信系統測試表明，在安裝在車隊成員的2 26個節點機，相鄰節點機最大距離為100米，主節點機運動速度在100公里/小時場景下，距離方向定位誤差為0，距離誤差定位為5米，定位更新時間最大為2秒(隊頭到隊尾傳遞時間)由此，本實用新型裝置在群移動場景下，能獲取到更佳的定位測距信息，尤其對坑道、橋梁等隱蔽性群組快速移動通信系統，具有較高的實用價值，如果為群移動通信系統中的組成配置GPS模塊，將極大的擴展GPS系統在地面的末梢定位范圍，具有軍民多用途價值。
權利要求1.一種群移動通信系統中的節點機裝置，其特征在于包括用于向節點機裝置供電的供電模塊、數字指南針模塊、兩個射頻收發模塊、微控制單元、存儲器單元、開關陣列；其中， 所述數字指南針模塊與微控制單元之間采用I2C總線連接； 所述兩個射頻收發模塊、存儲器單元分別通過數據總線與微控制單元的I/o端口連接； 所述開關陣列與微控制單元的控制端口連接。
2.根據權利要求I所述的一種群移動通信系統中的節點機裝置，其特征在于，還包括與微控制單元連接的TFT液晶顯示模塊。
3.根據權利要求I所述的一種群移動通信系統中的節點機裝置，其特征在于，還包括與微控制單元連接的揚聲器及耳脈接口，所述揚聲器及耳脈接口依次通過阻抗匹配電路、模數轉換電路與微控制單元連接。
4.根據權利要求I所述的一種群移動通信系統中的節點機裝置，其特征在于，所述存儲器單元包括靜態隨機存儲器、閃存，其中所述靜態隨機存儲器、閃存分別與微控制單元連接。
5.根據權利要求I所述的一種群移動通信系統中的節點機裝置，其特征在于，所述兩個射頻收發模塊的天線之間的距離為H=O. 16米。
6.根據權利要求I所述的一種群移動通信系統中的節點機裝置，其特征在于，所述供電模塊包括充電電路和電池，其中充電電路采用振動式充電結構，在移動中產生機械力隨時對電池進行充電,并由電池進行供電。
7.一種群移動通信系統，其特征在于，包括N個如權利要求1-6任一所述的節點機裝置，各節點機彼此之間的距離為直徑100米的圓周范圍內，其中2 < N < 26。
專利摘要本實用新型公開了一種群移動通信系統及其節點機裝置，節點機裝置包括供電模塊、數字指南針模塊、兩個射頻收發模塊、MCU、存儲器單元、開關陣列；其中數字指南針模塊與MCU之間采用I2C總線連接；兩個射頻收發模塊、存儲器單元分別通過數據總線與MCU的I/O端口連接；開關陣列與MCU的控制端口連接。所述群移動通信系統包括2-26個節點機裝置。本實用新型能在相互協作的群組節點運動過程中，通過節點機裝置之間的無線通信，獲知每個節點機當前的相對的方向距離定位，通過與主節點機的無線通信，獲知每個節點機在本群中的相對位置及距離長度，在通信定位方面具有很好的實用價值。
文檔編號H04W64/00GK202455540SQ201220020140
公開日2012年9月26日 申請日期2012年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者徐名海, 林曉勇, 林澤, 梁蒨, 陳仟 申請人:南京郵電大學