基于双频技术的枪支定位器设计与实现*

刘　芳　岳伟甲　郑玲玲

(陆军军官学院装甲兵系　合肥　230031)



基于双频技术的枪支定位器设计与实现*

刘芳岳伟甲郑玲玲

(陆军军官学院装甲兵系合肥230031)

摘要论文采用高低频配合的设计模式，综合运用低频载波定位、宽带线性调频扩频定位、无线通信技术，研制了“基于双频技术的枪支定位器”，将其安装在枪托副品匣内，具有防拆卸功能。基于无线低频唤醒的优点，通过接收报警主机发射的无线低频激励信号，实现对枪支定位器主芯片的唤醒，并进行高频定位模式的切换，显著降低了枪支定位器的功耗，延长系统工作时间。

关键词低频唤醒; 高频定位; 无线通信

Class NumberTP391

1　引言

目前大多数的营区安装了视频与电话监视控制设施，使用视频电话等监控方式随时随地监视控制与跟踪各个哨位点，并且配合工作人员的巡视以确保安全性。虽然预防安全隐患的能力有所增强，然而因为传统管理模式的局限性，依旧有很多问题难以处理。通过对部队实际和目前市场各类枪支防丢防盗系统的分析，为加强部队安全防范工作，防止执勤枪支被抢、哨兵被袭击和哨兵携枪逃离部队等情况的发生，加大对执勤枪支的监督管理力度，有效预防武器装备丢失和遭人为破坏，防止涉枪涉弹重大恶性案件发生，本文提出了“基于双频技术的枪支定位器”设计方案，采用高低频配合的多种无线定位方式，将其安装在枪托副品匣内，具有防拆卸功能，采用低功耗嵌入式设计，可接收低频(125K)信号，并利用高频(2.4G)信道进行通信和多点定位，具有蜂窝移动定位功能[1]。

2　系统硬件设计

枪支定位器平时工作中心频率为125kHz，起唤醒2.4G定位模块作用。枪支定位器总体硬件框图如图1所示。

图1　枪支定位器总体硬件框图

当定位器收到报警主机125K的激励信号之后，2.4G定位模块由被动唤醒转换为主动传输，进行2.4GHZ频段通讯[2]。经试验验证枪支定位器激活距离一般为3m。当执勤枪支超出报警主机激活距离，即在营门活动区域范围内采用高频(2.4G)无线定位技术，此时基于信号强度的测距方式采用基于时间的测距方式，进行多点定位。当执勤枪支远离营门超出活动范围，此时系统激活GSM+GPRS模块，采用蜂窝移动定位技术(GSM+GPRS)，通过移动通信网络，迅速将枪支位置信息传送给移动用户或者远端的用户[3]。

2.1低频接收设计

枪支定位器中低频唤醒接收模块，其低频唤醒接收功能的实现核心是奥地利微电子的AS3932芯片[4]。AS3932是一款3通道可编程低频唤醒接收器，具有3通道ASK唤醒接收，可编程16位或32位曼彻斯特唤醒码；接收频率范围广泛：15kHz～150kHz；支持可编程数据速率和带时钟恢复的曼彻斯特解码，并提供了内置自动天线调谐器；唤醒灵敏度达到80μVRMS，3通道低功耗侦听模式功耗最低仅有1.7μA。低频天线采用并联谐振方式，由并联电阻、电容和电感组成。为克服低频接收的方向性，天线采用PREMO 的三维正交低频天线，其中X、Y轴方向上的电感LXY=4.77mH，直流等效电阻RXY=93Ω，Z轴方向上的电感LZ=5.89mH，直流等效电阻RZ=142Ω，低频谐振的频率f=125kHz。低频天线并联谐振的等效电路如图2所示。

图2　低频天线并联谐振等效电路

其中L为天线线圈的电感值，u为天线线圈的感应电压，RL为天线线圈的直流等效电阻，Cpar为并联电容，Rpar为并联电阻。为了达到最优的低频接收灵敏度，对谐振电路匹配的阻容进行理论计算。电路谐振时，并联电容计算可通过汤姆逊公式获得：

(1)

当L=LXY=4.77mH，f=125kHz，代入上式求得CparXY=340.2pF；

当L=LZ=5.89mH，f=125kHz，代入上式求得CparZ=275.5pF。

设计中缺少电容值为340.2pF和275.5pF的电容，X、Y采用330pF和10pF的电容并联代替，Z采用270pF和6.8pF的电容并联代替。

低频天线性能和其品质因数Q关系密切，一般来讲，Q值越高低频唤醒作用距离越远，不过Q值太高会导致标签通频带宽缩小，影响数据的正确性。设计中Q值大小无法遵循协议标准，厂家推荐的Q值范围为20～30。并联谐振电路有载品质因数Q可由下式得到：

(2)

根据天线谐振电路相关参数，选取Q=25.1，代入式(2)分别求得XYZ轴谐振并联电阻：RparXY=250kΩ，RparZ=470kΩ。

125K接收模块的电路图如图3所示。考虑程序处理的精简性，AS3932芯片外接32.768kHz的晶振，用于对低频信号的频率检测。AS3932三个接收通道的管脚分别与3D低频天线的XYZ轴引脚相连，配置引脚与MCU的SPI相连，唤醒管脚WAKE3932与MCU的P0管脚相连，曼彻斯特解码时钟管脚CL_DAT3933和数据引脚DAT3932与MCU的P2脚相连，电源引脚外接电源。

2.22.4G定位通信模块

对于枪支定位器的监控在营门活动区域采用高频(2.4G)无线定位技术，这个区域较开阔，也存在院墙、车辆对信号的遮挡，测距时需要考虑多径传播、非视距传播、其他电子设备干扰问题，同时根据设计指标，最大测距距离可能接近140m，基于信号强度的测距方式在距离大于80m很难获得较高的测距精度，必须采用基于时间的测距方式，进行多点定位[5]。

本文采用nanoPAN 5375模块，该模块是一款高性能射频模块，具有位置感知与高速通讯功能，其工作于2.4GHz ISM 频段，既可以高速传输数据，又可以精确测距(室外测距精度高达1m)，且测距和数据通信可以同时完成。该模块采用线性调频(CSS)调制方式，具有输出PA(功率放大器)、输入LNA(低噪声放大器)、收发转换控制电路，输出已匹配到50Ω，使用非常方便[6]。

图3　125K接收模块电路图

nanoPAN 5375模块与单片机通过SPI口进行数据通信，其中RX_LNA引脚为接收LNA 增益控制脚。高电平为高增益状态，增益11dB；低电平为低增益状态，增益1dB。在休眠状态下，需使此引脚处于低电平，以降低电流消耗。而VCC_PA引脚为功率放大器电源控制引脚，2.5V～3.6V。用于提高模块的输出功率。nanoPAN 5375 模块电路图如图4所示。

图4　nanoPAN 5375模块电路图

3　系统软件设计

枪支定位器在上电初始化完毕之后立即进入休眠状态，等待中断信号[7]。当被中断信号唤醒之后，判断中断来源从而执行相关操作。控制流程如图5所示。

中断源从功能上主要分为四个： 1) 低频唤醒信号中断; 2) RF模块相关中断； 3) 定时器1中断; 4) 定时器2中断。

1) 低频唤醒信号中断

当AS3932接收到唤醒信号之后，向主控芯片发送唤醒中断信号。主控芯片在收到低频唤醒信号之后，立即读取唤醒码来获取唤醒信息。之后启动RF模块，与报警主机通信。

2) 定时器1中断

定时器1中断用来判断未收到低频唤醒信号时间和进行剩余电量采集工作的时间间隔。当超出预设时间未收到低频唤醒信号则进入RF测距准备[9～10]，此时枪支定位器需要通过RF模块向报警主机发送一条准备完成指令；当定时器1累计定时间隔大于3小时，系统进行一次AD采样，并将结果通过RF模块发送给报警主机。

图5　枪支定位器软件流程图

3) 定时器2中断

定时器2中断用来判断未收到测距信号的时间，当没有收到测距命令的时间大于预设时间后，系统认为超出营门活动区域，需要触发报警并打开GSM模块。

4) RF模块中断

RF模块启动后进入测距准备状态，每收到一次测距命令，触发主芯片一次中断，该中断对定时器2清零，确保GSM模块关闭。

4　系统测试

枪支定位器安装于枪械附品仓内，具有岗亭定位、线性调频扩频测距、通信基站定位、2.4G数据传输、电量检测、防拆卸报警等功能。为了实测所设计测距硬件的性能，使用枪支定位器和报警主机在某机构岗哨进行了试用实验，将两节点距离从1.2m每次增加1.2m，直到46.8m，记录各距离下的测量数据，如6图所示。可以看出测量点的拟合线基本上与真实距离线平行，且测量数据的方差较小，这证实了所设计的硬件具有较好的稳定性和较高的测量精度。

图6　测量距离误差

将报警主机和三个锚节点分别放置该机构两个岗亭内和两个大门柱高处平台上，坐标分别为(0，0)，(12，0)，(2，5)，(10，5)，将枪支定位器放置在营门区域内已知距离的不同位置上，分别进行10次测试，结合非视距误差提出算法，计算出响应的位置，根据10组数据绘出定位误差累积分布图[8]，如图7所示。

图7　定位误差累计分布图

图7中，定位误差为1m时，误差累积分布已达到0.5，意味着定位均方根误差在1m以内的点数达到了总实验点数的一半；而定位误差为5m时，误差累积分布为1。从以上数据可知，由于四个节点距离较近且不在同一水平面，误差略有增大，但也能满足设计指标要求，有比较理想的实用性。

5　结语

本文综合运用了低频载波唤醒、宽带线性调频扩频定位、移动基站定位、无线通信技术，在确保定位精度的同时降低了系统功耗，可实时显示哨兵活动轨迹，系统具备无线定位、离位报警、断线报警、失电报警和防拆卸功能，实现了执勤枪支在营门区域的定位，解决了当前无线定位系统因晶振漂移、多径效应和非视距因素导致的定位误差大，易触发误报漏报的问题。本文提出的采用低频信号对岗亭范围进行定位的技术方案，既解决了近距离情况下高频信号绕射性差，定位误差大的问题，又极大地降低了枪支定位器功耗，提高了其工作时间。

参 考 文 献

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*收稿日期：2015年10月8日,修回日期：2015年11月13日

作者简介：刘芳，女，硕士，讲师，研究方向：检测技术、无线传感器网络。岳伟甲，男，硕士，讲师，研究方向：装备测试及军事计量技术研究工作。郑玲玲，女，硕士，讲师，研究方向：嵌入式系统。

中图分类号TP391

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.036

Design and Complementation of Gun Locator Based on Dual Frequency Technology

LIU FangYUE WeijiaZHEN Lingling

(Armoured Forces Institute, Army Officer Academy， Hefei230031)

AbstractUsing the design patterns with the dual frequency， with the integrated use of low frequency carrier phase positioning， wideband， linear FM spread-spectrum positioning， wireless communication technology， the “based on dual band technology guns locator”is developed， it will be installed in the buttstock with anti dismounting function. Based on the advantages of wireless low frequency wake-up， the main chip of the main chip of the gun is awakened， and the high frequency positioning mode is switched.

Key Wordslow frequency wake, high frequency localization, wireless communication