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一种便携式无线搜救定位系统设计方案

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  随着国家经济发展,对矿山及煤矿资源的依赖性也日益增大,因此而导致的矿山灾害也日益增多。在抢救遇难人员时,方便,快捷,定位精确的搜救系统就显得尤为重要,本文正是基于这一思想,利用无线射频芯片自组网的特性,通过佩戴在遇难者身上不断传回的数据值,从而确定遇难者的所处位置,并迅速的进行营救。

1 无线搜救器原理

无线搜救器系统的主要工作原理是在802.15.14/Zigbee 网络中被称为终端的射频卡(佩戴在遇难人员身上)以一个固定的时间频率往协调器(手持搜救器)发送数据帧,在该数据帧中包括一个接收信号强度值(RSSI),信号强度的衰减和距离成指数衰减的关系,两者之间的关系为:

其中d 表示距离,n 为信号传播常量,A 为每米信号接收强度,根据实验数据分析,n 值得最佳范围为3.25-4.5,A 值得最佳范围为45-49.对(1)式进行等价变换,可得:

然后根据d 的变化便可以动态的得知搜救器与终端之间的距离以及方位的变化。

2 系统总体设计

整个无线搜救器包括两部分,一个是射频卡终端,平常工作时做为人员考勤卡使用,灾难发生时,具有定位遇难者位置的功能,主要芯片是CC2430.无线搜救器由三星公司的ARMS3C2440 和CC2430 构成,主要功能为收集射频卡终端发来的数据并进行定位处理。

2.1 无线射频终端

射频卡终端选用TI 公司的CC2430 做为无线射频芯片,该芯片是Chipcon 公司生产的首款符合802.15.14/Zigbee 技术的射频系统单芯片。适用于各种ZigBee 或类似ZigBee 的无线网络节点,包括调谐器、路由器和终端设备。其具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势,具有以下主要特点:集成符合IEEE802.15.4 标准的RF 无线电收发机;优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性;硬件支持CSMA/CA 功能;数字化的RSSI/LQI 支持。

CC2430 的硬件应用电路如下图所示,因为考虑到无线射频终端每个员工都需佩戴一个,从节约成本角度出发,采取了一种简单典型的设计方法,电路使用一个非平衡天线,连接非平衡变压器可使天线性能更好。

图1 CC2430 电路应用图

电路中的非平衡变压器由电容 C341 和电感 L341、L321、L331 以及一个 PCB 微波传输线组成,整个结构满足RF 输入/输出匹配电阻(50Ω)的要求。内部T/R 交换电路完成LNA 和PA 之间的交换。R221 和R261 为偏置电阻,电阻R221 主要用来为32 MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1 个 32 MHz 的石英谐振器(XTAL1)和2 个电容(C191 和C211)构成一个32MHz 的晶振电路。用1 个32.768 kHz 的石英谐振器(XTAL2)和2 个电容(C441 和C431)构成一个32.768 kHz 的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8V 电压的引脚和内部电源供电,C241 和 C421电容是去耦合电容,用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。

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