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摘 要：无线信号433 MHz是无线测距的一种，其具有穿透性强、纵向分辨率高、适用范围广、方向性强和正常工作模式下只在有数据接收和发送的时刻才会建立无线链路等优势，可以极大地减少对网络中其他设备的干扰，同时降低设备本身的功耗。该次课题的主要内容是将所学习的嵌入式知识、集成电路知识和电子设计EDA的技能运用到实际的嵌入式设计中，结合嵌入式开发平台进行设计。该定位系统设定四个参考节点，这四个参考节点的具体位置坐标已知通过无线通讯方式对处于其场景范围内的移动节点进行定位。参考节点不断对外发射描述其自身位置的射频信号；移动节点接收到该信号，通过检测获取自身与各参考节点之间通讯的接收信号强度（RSSI），并将检测信息包传送给网关。网关与上位机（PC电脑或工控机）相连，并在上位机上运行定位演示软件，通过联合定位解算可在软件界面上显示移动节点相对于参考节点的具体位置及坐标数值，从而实现定位的功能。
关键词：嵌入式系统 移动节点模块 无线模块433 MHz传感器 无线模块433 MHz测距系统
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0001-03
目前市场上大多数的室内定位或者测量距离的方法，都是采用测量波在不同介质中传播速度与时间之间的关系来进行测量。随着传感器和高级汇编语言的不断发展，使得无线检测技术可以被广泛应用于各个领域。目前，国内外的一些大型公司和科研所研发出来的室内无线定位系统，主要采用433 MHz、超声波、WiFi、超宽带（UWB）等短距离无线技术。其中，超声波定位成本低，功耗小，精度高，但是在传输过程中容易衰减影响其定位有效范围。超宽带技术不仅发射功率较低，而且是穿透能力特别强的新型无线技术，但缺点就是造价太贵。WiFi技术通过AP接入点或无线网卡能够方便测得无线信号的强度，但是需要采集的数据量大，而且为了获得较高的精确度，固定点AP的位置测算相对繁琐复杂。与前几种测距方式相比，无线模块433 MHz是无线测距的一种，其具有穿透性强、纵向分辨率高、适用范围广、方向性强和正常工作模式下只在有数据接收和发送的时刻才会建立无线链路等优势。
基于无线433 MHz测距凭借其原理简单、穿透性强、纵向分辨率高、适用范围广、方向性强、易于实现以及成本低等优点，人工智能实时定位和车辆前后尾燈防撞与躲避、不规则曲面的仿形检测和导盲系统等领域得到了广泛的应用。
人工智能是如今科技发展的一个重要方向，而这就要求其需要装备大量的传感器来获取环境信息、感知方向，从而来确定其自身的位置然后避开障碍物，其中，先进的视觉传感系统和无线信号433 MHz测距系统可以为人工智能的发展攻破这一难关。不仅如此带有无线信号433 MHz的传感器已经取代其他传统传感器而被广泛用作人工智能设备上用于定位与测量距离。其精准度在一定的范围内大大提升。
1 国内外研究现状
在国内，从20世纪50年代开始，便从国外引进一些具有无线模块433 MHz技术的但笨重的电子管式仪器。如带有无线模块433 MHz技术的检测仪，型号是英国产的UCT-2，这个仪器重达24 kg。在国家政府大力推动下，各研发单位不仅积极展开实验研究工作，还在一些之前所未涉及到的领域中获得突破。在20世纪60年代初，国内的科研单位从波兰那边定制了一批无线模块433 MHz检测仪，然后加入自己的技术对其进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出一款新型的基于无线模块433 MHz电子管式的检测仪，型号为CTS-10，这个仪器重约20 kg，虽然这款仪器性能稳定，显示波形清晰。但由于成本高，导致只有个别单位才能使用到这款新型的仪器。到了20世纪70年代中期，由于经济条件相对落后，再加上无损检测技术仍处于较低水平，未能实现推广普及，所以性能更好的仪器没有发展起来，电子管式的UCT-2，CTS-10型仪器的在各单位仍然占了大多数。
2 该课题研究内容及任务
在室外定位技术非常成熟的情况下，室内定位并不能很准确地显示人或物的具体的位置，要提高室内定位的准确性，可以利用无线模块433 MHz定位技术来提升定位的准确性。因为433 MHz无线信号具有穿透性强、正常工作模式下只在有数据接收和发送的时刻才会建立无线链路等优势，可以极大地减少了对网络中其他设备的干扰，同时降低设备本身的功耗。基于这些优点可以很好的提高室内定位的准确性。
主要工作内容包括以下几点：
（1）查找文献，研究433 MHz的测距系统功能、硬件和软件划分。
（2）采用433 MHz开发平台研究系统的硬件设计。
对移动节点（目标）的测距。
对移动节点（目标）的定位。
（3）研发一套基于CCLOC的无线模块433 MHz测距上位机系统，其中上位机需要具备数据存取、曲线绘制等功能。
（4）要求该嵌入式系统能够完成与上位机串口通信，可向上位机发送实时测量数据并接受上位机的指令。
3 无线模块433 MHz测距原理
因为无线信号433 MHz是无线测距的一种，其具有穿透性强、纵向分辨率高、适用范围广、方向性强和正常工作模式下只在有数据接收和发送的时刻才会建立无线链路等优势，可以极大地减少了对网络中其他设备的干扰，同时降低设备本身的功耗，所以在测量距离的领域得到了广泛的应用。在室内定位系统中有5种最基本算法：时间到达法（TOA）、起源蜂窝小区技术、信号强度法（RSSI）、到达角度差法（AOA）、时间到达差法（TDOA）。在无线模块433 MHz测距中运用到的主要方法有：频差法、脉冲回波法和共振法等。其中用脉冲回波法来测距是最为常见的，它主要利用无线模块433 MHz测距对于回波信号的识别，采用模拟的方法，用电路来实现这个过程。然后通过信号强度法可以使我们精准地得到所要求的距离值。 4 系统的总体设计
该次毕业设计课题采用的是具有超低功耗无线射频收发CC1101技术的CCLOC定位系统，该系统由移动节点、参考节点、网关节点3个模块一起构成。该系统具有可展开的实时定位系统，其性能优越且性价比出众，在物联网领域中处于领先水平，竞争力强。该定位系统运用当前最为先进的无线超低功耗技术、RSSI信号强度检测技术、无线唤醒WOR技术，内嵌集成独有的实时定位算法，采用高增益、安全可靠、抗干扰射频电路设计而成，可连续上电运行，满足工业等恶劣使用环境的功能要求。开发套件具有多种通信接口，便于在线调试，并可进一步二次开发通过无线组网布局扩展定位覆盖范围，适用于各种场景下的定位解决方案。该套件中的电路模块采用高密度小体积SMD表面贴装，具有微功耗、小型化、远距离发射/接收的特点，满足各类典型定位应用场景需求，见图1。
（1）上位机的硬件功能和特点见图2。
①各节点只要一上电就可独立运行使用，不会出现互相干扰现象。主要IO功能接口全部引出，方便功能调试、测试评估与产品开发；可作为独立模块使用或是系统集成，迅速投入工程开发。
②参考节点和移动节点功耗低、电池工作时间长、便于更换。
③将坐标方式与范围感知相结合，自动选取最佳定位方式，可以实时图形化的显示定位的效果。
④采用先进的强度感知检测定位算法，能够准确的进行定位，定位的精度可达到1 m以内。
⑤即使在环境特别复杂、条件有限无法精确定位的情况下，仍可以利用该系统具有的独立局域级的范围感知来确定目标方位。
⑥可任意移动参考节点及位置设置，支持对参考节点的信号强度RSSI值检测和测距换算。
⑦支持导入地图，自由放大缩小地图尺寸和场景视图，可以实现多分辨率下的定位场景实时查看。
⑧可以自动更新实时数据并自动保存数据。
⑨支持多个移动节点的实时定位，数量最高可以达到65 392个。
（2）下位机的软件功能和特点见图3。
①测距功能：可以参考节点到移动节点之间的距离。
②显示功能：可以显示测量的距离和测量有问题后会出现报警显示。
③系统设置功能：可以报警设置、校准设置和序号设置。
④串口通信功能：可以实现程序代码和串口通信网络之间的信息交换。
5 软件设计方法
该次上位机采用的软件是基于Visual C++6.0软件并由MFC控件编写，具有良好的窗口界面。Visual C++6.0是一款功能强大的可视化软件，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程，且适用于多种编程语言在上面进行编程，是一款使用频率非常的编程软件。
6 软件的调试过程
（1）测距换算原理：记射频标定的参数A、n，根据当前移动节点检测到来自于参考节点的接收信号强度RSSI值，根据公式d=10^（（ABS（RSSI）-A）/（10*n））可求得距离。其中：A代表在距离1 m时的信号强度，n代表路径损耗，即环境对于信号的衰减系数，视具体环境而定。
（2）为了确定实验环境下的参数A和n的值，需要先测量参考节点跟移动节点之间在1 m、2 m、3 m、4 m、5 m等距离下的RSSI值。
7 结语
该次课题的主要內容是将所学习的嵌入式知识、集成电路知识和电子设计EDA的技能运用到实际的嵌入式设计中，结合嵌入式开发平台进行设计，然后利用无线模块433 MHz技术进行测距系统设计。通过阅读相关论文以及关于433 MHz这方面技术材料，开始有了初步的了解，知道433 MHz传输的是什么波，利用该技术进行测距需要用到哪些材料和芯片以及需要用到什么汇编语言来完成软件程序部分。虽然在硬件设计方面顺利完成移动节点、参考节点以及网关节点的设计组合，完成上位机的整体功能。
参考文献
[1] 张健，李钢.起声波测距系统的研究与设计[J].合肥工业大学学报，2004（6）：640-643.
[2] 隋卫平.高精度实时无线模块433 MHz测距技术研究[D].国防科学技术大学，2003.
[3] 李朝青.PC机及单片机数据通信技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.
[4] 李娜林.Visual C++开发技术大全[M].北京：清华大学出版社，2010.
关键词：嵌入式系统 移动节点模块 无线模块433 MHz传感器 无线模块433 MHz测距系统
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0001-03
目前市场上大多数的室内定位或者测量距离的方法，都是采用测量波在不同介质中传播速度与时间之间的关系来进行测量。随着传感器和高级汇编语言的不断发展，使得无线检测技术可以被广泛应用于各个领域。目前，国内外的一些大型公司和科研所研发出来的室内无线定位系统，主要采用433 MHz、超声波、WiFi、超宽带（UWB）等短距离无线技术。其中，超声波定位成本低，功耗小，精度高，但是在传输过程中容易衰减影响其定位有效范围。超宽带技术不仅发射功率较低，而且是穿透能力特别强的新型无线技术，但缺点就是造价太贵。WiFi技术通过AP接入点或无线网卡能够方便测得无线信号的强度，但是需要采集的数据量大，而且为了获得较高的精确度，固定点AP的位置测算相对繁琐复杂。与前几种测距方式相比，无线模块433 MHz是无线测距的一种，其具有穿透性强、纵向分辨率高、适用范围广、方向性强和正常工作模式下只在有数据接收和发送的时刻才会建立无线链路等优势。
基于无线433 MHz测距凭借其原理简单、穿透性强、纵向分辨率高、适用范围广、方向性强、易于实现以及成本低等优点，人工智能实时定位和车辆前后尾燈防撞与躲避、不规则曲面的仿形检测和导盲系统等领域得到了广泛的应用。
人工智能是如今科技发展的一个重要方向，而这就要求其需要装备大量的传感器来获取环境信息、感知方向，从而来确定其自身的位置然后避开障碍物，其中，先进的视觉传感系统和无线信号433 MHz测距系统可以为人工智能的发展攻破这一难关。不仅如此带有无线信号433 MHz的传感器已经取代其他传统传感器而被广泛用作人工智能设备上用于定位与测量距离。其精准度在一定的范围内大大提升。
1 国内外研究现状
在国内，从20世纪50年代开始，便从国外引进一些具有无线模块433 MHz技术的但笨重的电子管式仪器。如带有无线模块433 MHz技术的检测仪，型号是英国产的UCT-2，这个仪器重达24 kg。在国家政府大力推动下，各研发单位不仅积极展开实验研究工作，还在一些之前所未涉及到的领域中获得突破。在20世纪60年代初，国内的科研单位从波兰那边定制了一批无线模块433 MHz检测仪，然后加入自己的技术对其进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出一款新型的基于无线模块433 MHz电子管式的检测仪，型号为CTS-10，这个仪器重约20 kg，虽然这款仪器性能稳定，显示波形清晰。但由于成本高，导致只有个别单位才能使用到这款新型的仪器。到了20世纪70年代中期，由于经济条件相对落后，再加上无损检测技术仍处于较低水平，未能实现推广普及，所以性能更好的仪器没有发展起来，电子管式的UCT-2，CTS-10型仪器的在各单位仍然占了大多数。
2 该课题研究内容及任务
在室外定位技术非常成熟的情况下，室内定位并不能很准确地显示人或物的具体的位置，要提高室内定位的准确性，可以利用无线模块433 MHz定位技术来提升定位的准确性。因为433 MHz无线信号具有穿透性强、正常工作模式下只在有数据接收和发送的时刻才会建立无线链路等优势，可以极大地减少了对网络中其他设备的干扰，同时降低设备本身的功耗。基于这些优点可以很好的提高室内定位的准确性。
主要工作内容包括以下几点：
（1）查找文献，研究433 MHz的测距系统功能、硬件和软件划分。
（2）采用433 MHz开发平台研究系统的硬件设计。
对移动节点（目标）的测距。
对移动节点（目标）的定位。
（3）研发一套基于CCLOC的无线模块433 MHz测距上位机系统，其中上位机需要具备数据存取、曲线绘制等功能。
（4）要求该嵌入式系统能够完成与上位机串口通信，可向上位机发送实时测量数据并接受上位机的指令。
3 无线模块433 MHz测距原理
因为无线信号433 MHz是无线测距的一种，其具有穿透性强、纵向分辨率高、适用范围广、方向性强和正常工作模式下只在有数据接收和发送的时刻才会建立无线链路等优势，可以极大地减少了对网络中其他设备的干扰，同时降低设备本身的功耗，所以在测量距离的领域得到了广泛的应用。在室内定位系统中有5种最基本算法：时间到达法（TOA）、起源蜂窝小区技术、信号强度法（RSSI）、到达角度差法（AOA）、时间到达差法（TDOA）。在无线模块433 MHz测距中运用到的主要方法有：频差法、脉冲回波法和共振法等。其中用脉冲回波法来测距是最为常见的，它主要利用无线模块433 MHz测距对于回波信号的识别，采用模拟的方法，用电路来实现这个过程。然后通过信号强度法可以使我们精准地得到所要求的距离值。 4 系统的总体设计
该次毕业设计课题采用的是具有超低功耗无线射频收发CC1101技术的CCLOC定位系统，该系统由移动节点、参考节点、网关节点3个模块一起构成。该系统具有可展开的实时定位系统，其性能优越且性价比出众，在物联网领域中处于领先水平，竞争力强。该定位系统运用当前最为先进的无线超低功耗技术、RSSI信号强度检测技术、无线唤醒WOR技术，内嵌集成独有的实时定位算法，采用高增益、安全可靠、抗干扰射频电路设计而成，可连续上电运行，满足工业等恶劣使用环境的功能要求。开发套件具有多种通信接口，便于在线调试，并可进一步二次开发通过无线组网布局扩展定位覆盖范围，适用于各种场景下的定位解决方案。该套件中的电路模块采用高密度小体积SMD表面贴装，具有微功耗、小型化、远距离发射/接收的特点，满足各类典型定位应用场景需求，见图1。
（1）上位机的硬件功能和特点见图2。
①各节点只要一上电就可独立运行使用，不会出现互相干扰现象。主要IO功能接口全部引出，方便功能调试、测试评估与产品开发；可作为独立模块使用或是系统集成，迅速投入工程开发。
②参考节点和移动节点功耗低、电池工作时间长、便于更换。
③将坐标方式与范围感知相结合，自动选取最佳定位方式，可以实时图形化的显示定位的效果。
④采用先进的强度感知检测定位算法，能够准确的进行定位，定位的精度可达到1 m以内。
⑤即使在环境特别复杂、条件有限无法精确定位的情况下，仍可以利用该系统具有的独立局域级的范围感知来确定目标方位。
⑥可任意移动参考节点及位置设置，支持对参考节点的信号强度RSSI值检测和测距换算。
⑦支持导入地图，自由放大缩小地图尺寸和场景视图，可以实现多分辨率下的定位场景实时查看。
⑧可以自动更新实时数据并自动保存数据。
⑨支持多个移动节点的实时定位，数量最高可以达到65 392个。
（2）下位机的软件功能和特点见图3。
①测距功能：可以参考节点到移动节点之间的距离。
②显示功能：可以显示测量的距离和测量有问题后会出现报警显示。
③系统设置功能：可以报警设置、校准设置和序号设置。
④串口通信功能：可以实现程序代码和串口通信网络之间的信息交换。
5 软件设计方法
该次上位机采用的软件是基于Visual C++6.0软件并由MFC控件编写，具有良好的窗口界面。Visual C++6.0是一款功能强大的可视化软件，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程，且适用于多种编程语言在上面进行编程，是一款使用频率非常的编程软件。
6 软件的调试过程
（1）测距换算原理：记射频标定的参数A、n，根据当前移动节点检测到来自于参考节点的接收信号强度RSSI值，根据公式d=10^（（ABS（RSSI）-A）/（10*n））可求得距离。其中：A代表在距离1 m时的信号强度，n代表路径损耗，即环境对于信号的衰减系数，视具体环境而定。
（2）为了确定实验环境下的参数A和n的值，需要先测量参考节点跟移动节点之间在1 m、2 m、3 m、4 m、5 m等距离下的RSSI值。
7 结语
该次课题的主要內容是将所学习的嵌入式知识、集成电路知识和电子设计EDA的技能运用到实际的嵌入式设计中，结合嵌入式开发平台进行设计，然后利用无线模块433 MHz技术进行测距系统设计。通过阅读相关论文以及关于433 MHz这方面技术材料，开始有了初步的了解，知道433 MHz传输的是什么波，利用该技术进行测距需要用到哪些材料和芯片以及需要用到什么汇编语言来完成软件程序部分。虽然在硬件设计方面顺利完成移动节点、参考节点以及网关节点的设计组合，完成上位机的整体功能。
参考文献
[1] 张健，李钢.起声波测距系统的研究与设计[J].合肥工业大学学报，2004（6）：640-643.
[2] 隋卫平.高精度实时无线模块433 MHz测距技术研究[D].国防科学技术大学，2003.
[3] 李朝青.PC机及单片机数据通信技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.
[4] 李娜林.Visual C++开发技术大全[M].北京：清华大学出版社，2010.