摘要：定位技術(shù)已相當(dāng)成熟，并且定位服務(wù)在日常生活、工作中也日趨廣泛，其中CSS技術(shù)鑒于它的獨(dú)特性能在無線定位中有著較大的優(yōu)勢(shì)。本文研究設(shè)計(jì)了一種基于CSS技術(shù)對(duì)于特定目標(biāo)可精準(zhǔn)定位且實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)攝像監(jiān)控的系統(tǒng)。主要應(yīng)用以nanoPAN5375和STM32F103微處理器為核心的定位模塊及以L298N和52單片機(jī)為核心的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確快速的攝像監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：CSS技術(shù)、定位、云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、攝像監(jiān)控

1引言

在這個(gè)高度信息化的年代中，人們無時(shí)無刻需要獲取大量信息，同時(shí)日新月異的高新技術(shù)，也為我們提供了更為高效、快捷的方式，是我們可以更為輕而易舉的獲取我們想要的信息。本文所介紹的裝置，就是力求準(zhǔn)確快速的提供特定目標(biāo)的實(shí)時(shí)圖像信息。

如今定位技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來的諸多服務(wù)如監(jiān)控、導(dǎo)航等成為了保障人們正常工作、學(xué)習(xí)、生活所不可或缺的，例如軍事上，我們必須通過精準(zhǔn)的目標(biāo)定位來完成諸多軍事活動(dòng);生活中，我們可以通過手機(jī)、導(dǎo)航儀等設(shè)備來方便地獲取我們的位置信息，及以此為基礎(chǔ)的其它服務(wù);工業(yè)生產(chǎn)中我們也需要定位信息來監(jiān)控保障正常有序的生產(chǎn)活動(dòng)。同時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域更是隨處可見，它可以生動(dòng)形象的給我們傳遞我們所需要觀察對(duì)象的圖像信息，從而獲得我們所要尋找的信息，為擴(kuò)大監(jiān)控范圍我們常借助云臺(tái)來載動(dòng)攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使攝像頭可以轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度來獲取各個(gè)方向的圖像。但有時(shí)候我們也需要獲取許多特定環(huán)境下特定目標(biāo)的實(shí)時(shí)信息，如養(yǎng)老院、精神病院、監(jiān)獄、礦區(qū)等特殊安全保障區(qū)域，我們常常需要及時(shí)得知特定目標(biāo)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。所以，特定目標(biāo)位置信息的精準(zhǔn)快速獲取也成為一個(gè)重要需求。

2相關(guān)技術(shù)的介紹及原理

2.1CSS技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

目前可用作區(qū)域定位的技術(shù)主要有CSS（ChirpSpreadSpectrum,線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)）定位、GPS衛(wèi)星定位、藍(lán)牙定位、WIFI網(wǎng)絡(luò)定位、GPRS/CDMA移動(dòng)通訊技術(shù)等。其中CSS技術(shù)在無線通信定位上有著較大的優(yōu)勢(shì)。CSS技術(shù)是利用Chirp信號(hào)的收發(fā)檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)測(cè)距定位的，它通過將Chirp信號(hào)的脈沖壓縮后，使其巨涌尖銳的時(shí)域，能量變得十分集中，相當(dāng)容易被檢測(cè)到。同時(shí)Chirp信號(hào)本身在抗多徑、抗多普勒頻移等方面就有著優(yōu)良性能，所以CSS技術(shù)除了具有傳統(tǒng)擴(kuò)頻技術(shù)本身所具有的有點(diǎn)以外，他在抗多頻、抗頻偏能力，以及反射功率低等方面也非常出色。也正是這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使CSS技術(shù)近年來在測(cè)距定位領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。

Chirp擴(kuò)頻信號(hào)最早應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域，因?yàn)樗哂写髸r(shí)寬帶寬積的特性，被用于解決雷達(dá)測(cè)量距離和距離分辨率的問題。但早期的Chirp擴(kuò)頻信號(hào)的掃頻帶寬比較小，只具有一般貸款信號(hào)的特性，隨著超帶寬技術(shù)的迅速發(fā)展及SAW（聲表面波）器件制造工藝的進(jìn)步，Chirp信號(hào)也具有了超寬帶信號(hào)所具有的特性。所以基于Chirp擴(kuò)頻技術(shù)的超帶寬信號(hào)比起傳統(tǒng)的超帶寬信號(hào)具有發(fā)射功率的，傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。2007年，IEEE802.15.4a工作組將CSS技術(shù)被采納為IEEE802.15.4a新到物理層的標(biāo)準(zhǔn)之一，同時(shí)德國Nanotron公司提供了該標(biāo)準(zhǔn)下的CSS技術(shù)用于通信定位的RFID解決方案，并且推出了nanoPAN5375等大量的相關(guān)產(chǎn)品，使得CSS技術(shù)在通信定位的廣泛應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

鑒于上述的現(xiàn)實(shí)需求和技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性，構(gòu)思設(shè)計(jì)了基于CSS技術(shù)的定位攝像監(jiān)控系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)于特定目標(biāo)的實(shí)時(shí)圖像信息采集。

2.2CSS定位的原理

CSS定位系統(tǒng)主要由基站（BS)、移動(dòng)標(biāo)簽（tag）和位置處理器組成。

其中BS為固定的，它在整個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)中的坐標(biāo)已知，作為參考點(diǎn)。Tag為移動(dòng)的標(biāo)簽，在定位工作中基站和移動(dòng)標(biāo)簽之間通過chirp信號(hào)進(jìn)行通信，根據(jù)傳播時(shí)間的長短，獲得移動(dòng)標(biāo)簽與各個(gè)基站之間的距離。然后將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳給處理器，進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)定位算法得出節(jié)點(diǎn)在定位網(wǎng)絡(luò)中的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位。

定位算法才有TDOA(到達(dá)時(shí)間差）算法，它是對(duì)TOA（波達(dá)時(shí)間）算法的改良，不同于直接利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間測(cè)量目標(biāo)間的距離，而是用多個(gè)基站接收同一信號(hào)的時(shí)間差來確定移動(dòng)臺(tái)位置，所以此算法無需要求基站與被測(cè)標(biāo)簽之間的時(shí)鐘同步，只需要基站之間時(shí)鐘同步，這樣技術(shù)要求比TOA算法就低很多，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度和誤差，在定位系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。TODA通過兩個(gè)基站接受信號(hào)的時(shí)間差所確定的雙曲線來確定移動(dòng)標(biāo)簽的位置，多組TODA就能提供多組雙曲線的交點(diǎn)，從而便得出目標(biāo)的位置。

2.3云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)原理

為實(shí)現(xiàn)全方位的精準(zhǔn)監(jiān)控，該系統(tǒng)的攝像設(shè)備選擇了云臺(tái)攝像機(jī)。云臺(tái)攝像可以根據(jù)目標(biāo)的位置信息實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，時(shí)刻捕捉目標(biāo)標(biāo)簽的圖像信息。該云臺(tái)系統(tǒng)主要由主控芯片、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)組成。實(shí)行工作時(shí)，云臺(tái)可根據(jù)主控芯片發(fā)出的轉(zhuǎn)動(dòng)指令實(shí)現(xiàn)它所裝載的攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以采集云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)攝像頭可以捕捉的圖像。

主控芯片主要對(duì)位置終端處理器發(fā)來的目標(biāo)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并由此處理得到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)所需要的脈沖的數(shù)量，并將此信息傳給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，然后驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出此數(shù)量的脈沖信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)云臺(tái)攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而轉(zhuǎn)向目標(biāo)標(biāo)簽，并對(duì)它實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)監(jiān)控功能。

3系統(tǒng)的模型概述

本系統(tǒng)是基于特定標(biāo)簽tagx移動(dòng)情況下的定位與攝像采集方案，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：

系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)中主要包括3個(gè)固定基站BS、3個(gè)固定云臺(tái)攝像機(jī)和特定的移動(dòng)標(biāo)簽tagx，以及用于數(shù)據(jù)處理計(jì)算的位置處理終端和步進(jìn)電機(jī)的主控芯片。其中3個(gè)基站BS和云臺(tái)攝像機(jī)的坐標(biāo)在該定位網(wǎng)絡(luò)中是固定且已知的。系統(tǒng)工作時(shí)，為獲得移動(dòng)標(biāo)簽tagx的實(shí)時(shí)圖像信息，首先要使定位模塊工作計(jì)算出目標(biāo)的位置信息。移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)出chirp信號(hào)后，3個(gè)基站接受并反饋回信號(hào)，同時(shí)將得到的時(shí)差信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳給位置定位處理器，再由TODA算法得出移動(dòng)標(biāo)簽在此定位網(wǎng)絡(luò)的位置坐標(biāo)。由目標(biāo)的位置坐標(biāo)計(jì)算出距離目標(biāo)標(biāo)簽最近的云臺(tái)攝像機(jī)，于此攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)移動(dòng)標(biāo)簽進(jìn)行圖像采集，并將圖像傳給顯示終端。（為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的計(jì)算，提高工作效率，將3個(gè)云臺(tái)攝像設(shè)備安裝在3個(gè)基站BS處。這樣離移動(dòng)標(biāo)簽最近的云臺(tái)攝像機(jī)便是最早反饋給移動(dòng)標(biāo)簽的基站處的云臺(tái)攝像機(jī)）。

4硬件的設(shè)計(jì)

4.1定位模塊的硬件設(shè)計(jì)

定位模塊主要采用Nanotron提供nanoPAN5375射頻模塊。該模塊基于nTRX芯片，體積僅29mmX15mm，不足4mm厚，集成了巴倫電路、帶通濾波器、20dbm功率放大器、集成2.4GHz的芯片天線和nanoLOC芯片所有必須的元器件，從而構(gòu)成完整的射頻模塊。同時(shí)提供了基于nanoLOC收發(fā)器的開發(fā)套件，具有設(shè)計(jì)完善、功能易用的特點(diǎn)，能夠用于RTLS以及具有位置感知功能系統(tǒng)的快速開發(fā)，因此利用nanoPAN5375模塊可以為客戶提供更為完善的服務(wù)。

nanoLOC是采用Nanotron獨(dú)特線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)通訊技術(shù)的高集成度混合信號(hào)芯片。在提供較高無線通訊性能的同時(shí)，該芯片也提供了精確測(cè)距功能，能夠用于開發(fā)測(cè)距系統(tǒng)以及具有位置感知功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。nanoLOC提供3個(gè)可自由調(diào)整中心頻率的非重疊2.4GHzISM頻道，支持多個(gè)獨(dú)立物理層網(wǎng)絡(luò)，并能夠提高與現(xiàn)有2.4GHz無線技術(shù)共存時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能。芯片的數(shù)據(jù)通訊速率為125-2Mbps可選。它包含一個(gè)性能卓越的MAC控制器，提供對(duì)載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）和時(shí)分多址接入（TDMA）協(xié)議的支持，并實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò)(FEC)和128位硬件加密。為了降低對(duì)微控制器和軟件的要求，NanoLOC芯片同時(shí)提供不規(guī)則的自動(dòng)地址匹配及數(shù)據(jù)包重發(fā)功能。

STM32F103是專門設(shè)計(jì)于滿足集低功耗、高性能、實(shí)時(shí)性等要求的微處理器.它具有512KB嵌入式Flash和64KB嵌入式SRAM,可以以CPU時(shí)鐘速度進(jìn)行讀/寫,工作頻率可達(dá)72MHz,具有串口,JTAG接口,USB接口,SPI接口等13個(gè)通信接口.本系統(tǒng)采用STM32F103通過SPI接口使用nanoLOCnTRX驅(qū)動(dòng)發(fā)送MAC層信息給nanoLOCTRX收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)無線通信模塊,控制nanoPAN5375模塊收發(fā)信號(hào)的工作,并將測(cè)距數(shù)據(jù)通過USB接口傳送到位置終端處理器（位置終端處理器可選擇PC終端或者其他處理器）。

4.2云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊的硬件設(shè)計(jì)

AT89c52是Atemel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS微處理器，片內(nèi)帶有8KB的可復(fù)雜擦寫只讀程序存儲(chǔ)器，共有4個(gè)八位I/O接口，功能強(qiáng)大。L298N是SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用芯片，能產(chǎn)生四相控制信號(hào)，輸出功率高，可用于控制兩相、三相、四相多種步進(jìn)電機(jī)，可與單片機(jī)連接，并由其進(jìn)行控制。

以AT89C52作為云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊的主控芯片，以P0、P1口作為信號(hào)的輸入口，用來接收位置處理終端器傳來的位置坐標(biāo)信息，信息數(shù)據(jù)經(jīng)過運(yùn)算處理以后，再通過P2口輸出脈沖給L298N,從而步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路工作驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，云臺(tái)上的攝像機(jī)便可以隨之轉(zhuǎn)向了目標(biāo)，捕捉到移動(dòng)標(biāo)簽的實(shí)時(shí)圖像信息。每個(gè)脈沖會(huì)使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，這個(gè)角度便是攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)的最小角度，這個(gè)最小角可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。本設(shè)備暫且設(shè)定15，所以攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為15的倍數(shù)。點(diǎn)擊選擇用四相步進(jìn)電機(jī)，四位的I/O接口分別控制水平和垂直方向的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以P2口的低四位來控制垂直方向的步進(jìn)電機(jī)，高四位來控制水平方向的步進(jìn)電機(jī)。

四相步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式：?jiǎn)嗡呐?、雙四拍和八拍，四拍時(shí)步距角為1.8，八拍是步距角為0.9.可更具設(shè)備的需求選擇不同的工作方式。為了提高本系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，我們選擇八拍的工作方式，anzhao（A-AB-B-BC-C-CD-D-AD-A)一次通電，步進(jìn)電機(jī)即可以順時(shí)針正傳，而反向通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)便逆時(shí)針反轉(zhuǎn)，點(diǎn)擊的轉(zhuǎn)速我們則可以通過改變脈沖信號(hào)的頻率來控制。

下圖為主控芯片控制垂直方向步進(jìn)電機(jī)的電路圖，為了單片機(jī)不受電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的干擾，能穩(wěn)定工作，驅(qū)動(dòng)電路里鍵入了反相器和光耦耦合，這樣保證了單片機(jī)更加穩(wěn)定精準(zhǔn)的工作。

主控芯片控制垂直方向步進(jìn)電機(jī)的電路圖

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作者簡(jiǎn)介

第一作者：趙蕾，1989.07.08，女，碩士研究生，山東科技大學(xué)，學(xué)生，控制理論與控制工程專業(yè)

第二作者：山東科技大學(xué)：宋翠萍，石婕，邱思思，胡桂芝，郭倩何