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基于CSS對特定目標的精準定位攝像捕捉監控系統

時間：2015-02-02 15:19:58來源：趙蕾，宋翠萍，石婕，邱思思，胡桂芝，郭倩何

導語：?在這個高度信息化的年代中，人們無時無刻需要獲取大量信息，同時日新月異的高新技術，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。

摘要：定位技術已相當成熟，并且定位服務在日常生活、工作中也日趨廣泛，其中CSS技術鑒于它的獨特性能在無線定位中有著較大的優勢。本文研究設計了一種基于CSS技術對于特定目標可精準定位且實現實時攝像監控的系統。主要應用以nanoPAN5375和STM32F103微處理器為核心的定位模塊及以L298N和52單片機為核心的云臺轉動模塊，從而實現對特定的移動目標進行準確快速的攝像監控。

關鍵詞：CSS技術、定位、云臺轉動、攝像監控

1引言

在這個高度信息化的年代中，人們無時無刻需要獲取大量信息，同時日新月異的高新技術，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，就是力求準確快速的提供特定目標的實時圖像信息。

如今定位技術已經相當成熟，以此為基礎發展起來的諸多服務如監控、導航等成為了保障人們正常工作、學習、生活所不可或缺的，例如軍事上，我們必須通過精準的目標定位來完成諸多軍事活動;生活中，我們可以通過手機、導航儀等設備來方便地獲取我們的位置信息，及以此為基礎的其它服務;工業生產中我們也需要定位信息來監控保障正常有序的生產活動。同時視頻監控系統在各個領域更是隨處可見，它可以生動形象的給我們傳遞我們所需要觀察對象的圖像信息，從而獲得我們所要尋找的信息，為擴大監控范圍我們常借助云臺來載動攝像機的轉動，使攝像頭可以轉動不同的角度來獲取各個方向的圖像。但有時候我們也需要獲取許多特定環境下特定目標的實時信息，如養老院、精神病院、監獄、礦區等特殊安全保障區域，我們常常需要及時得知特定目標的實時狀態。所以，特定目標位置信息的精準快速獲取也成為一個重要需求。

2相關技術的介紹及原理

2.1CSS技術的特點及現狀

目前可用作區域定位的技術主要有CSS（ChirpSpreadSpectrum,線性調頻擴頻技術）定位、GPS衛星定位、藍牙定位、WIFI網絡定位、GPRS/CDMA移動通訊技術等。其中CSS技術在無線通信定位上有著較大的優勢。CSS技術是利用Chirp信號的收發檢測來實現測距定位的，它通過將Chirp信號的脈沖壓縮后，使其巨涌尖銳的時域，能量變得十分集中，相當容易被檢測到。同時Chirp信號本身在抗多徑、抗多普勒頻移等方面就有著優良性能，所以CSS技術除了具有傳統擴頻技術本身所具有的有點以外，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。也正是這些獨特的優勢，使CSS技術近年來在測距定位領域受到了越來越多的關注和應用。

Chirp擴頻信號最早應用于雷達領域，因為它具有大時寬帶寬積的特性，被用于解決雷達測量距離和距離分辨率的問題。但早期的Chirp擴頻信號的掃頻帶寬比較小，只具有一般貸款信號的特性，隨著超帶寬技術的迅速發展及SAW（聲表面波）器件制造工藝的進步，Chirp信號也具有了超寬帶信號所具有的特性。所以基于Chirp擴頻技術的超帶寬信號比起傳統的超帶寬信號具有發射功率的，傳輸距離遠等優勢。2007年，IEEE802.15.4a工作組將CSS技術被采納為IEEE802.15.4a新到物理層的標準之一，同時德國Nanotron公司提供了該標準下的CSS技術用于通信定位的RFID解決方案，并且推出了nanoPAN5375等大量的相關產品，使得CSS技術在通信定位的廣泛應用變為現實。

鑒于上述的現實需求和技術可實現性，構思設計了基于CSS技術的定位攝像監控系統，來實現對于特定目標的實時圖像信息采集。

2.2CSS定位的原理

CSS定位系統主要由基站（BS)、移動標簽（tag）和位置處理器組成。

其中BS為固定的，它在整個定位網絡中的坐標已知，作為參考點。Tag為移動的標簽，在定位工作中基站和移動標簽之間通過chirp信號進行通信，根據傳播時間的長短，獲得移動標簽與各個基站之間的距離。然后將這些數據通過網絡節點傳給處理器，進行計算，根據定位算法得出節點在定位網絡中的坐標實現定位。

定位算法才有TDOA(到達時間差）算法，它是對TOA（波達時間）算法的改良，不同于直接利用信號到達時間測量目標間的距離，而是用多個基站接收同一信號的時間差來確定移動臺位置，所以此算法無需要求基站與被測標簽之間的時鐘同步，只需要基站之間時鐘同步，這樣技術要求比TOA算法就低很多，降低了系統實現的難度和誤差，在定位系統中得到了廣泛的應用。TODA通過兩個基站接受信號的時間差所確定的雙曲線來確定移動標簽的位置，多組TODA就能提供多組雙曲線的交點，從而便得出目標的位置。

2.3云臺轉動原理

為實現全方位的精準監控，該系統的攝像設備選擇了云臺攝像機。云臺攝像可以根據目標的位置信息實現轉動，時刻捕捉目標標簽的圖像信息。該云臺系統主要由主控芯片、驅動電路、步進電機組成。實行工作時，云臺可根據主控芯片發出的轉動指令實現它所裝載的攝像頭的轉動，可以采集云臺轉動范圍內攝像頭可以捕捉的圖像。

主控芯片主要對位置終端處理器發來的目標的位置坐標數據進行計算處理，并由此處理得到驅動步進電機所需要的脈沖的數量，并將此信息傳給步進電機的驅動電路，然后驅動電路發出此數量的脈沖信號從而驅動云臺攝像機的轉動，從而轉向目標標簽，并對它實現實時的圖像采集，實現對目標的自動監控功能。

3系統的模型概述

本系統是基于特定標簽tagx移動情況下的定位與攝像采集方案，其結構簡圖如下：

系統整體框圖

系統中主要包括3個固定基站BS、3個固定云臺攝像機和特定的移動標簽tagx，以及用于數據處理計算的位置處理終端和步進電機的主控芯片。其中3個基站BS和云臺攝像機的坐標在該定位網絡中是固定且已知的。系統工作時，為獲得移動標簽tagx的實時圖像信息，首先要使定位模塊工作計算出目標的位置信息。移動標簽發出chirp信號后，3個基站接受并反饋回信號，同時將得到的時差信息數據通過網絡節點傳給位置定位處理器，再由TODA算法得出移動標簽在此定位網絡的位置坐標。由目標的位置坐標計算出距離目標標簽最近的云臺攝像機，于此攝像機對目標移動標簽進行圖像采集，并將圖像傳給顯示終端。（為了簡化系統的計算，提高工作效率，將3個云臺攝像設備安裝在3個基站BS處。這樣離移動標簽最近的云臺攝像機便是最早反饋給移動標簽的基站處的云臺攝像機）。

4硬件的設計

4.1定位模塊的硬件設計

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，從而構成完整的射頻模塊。同時提供了基于nanoLOC收發器的開發套件，具有設計完善、功能易用的特點，能夠用于RTLS以及具有位置感知功能系統的快速開發，因此利用nanoPAN5375模塊可以為客戶提供更為完善的服務。

nanoLOC是采用Nanotron獨特線性調頻擴頻(CSS)通訊技術的高集成度混合信號芯片。在提供較高無線通訊性能的同時，該芯片也提供了精確測距功能，能夠用于開發測距系統以及具有位置感知功能的無線傳感器網絡。nanoLOC提供3個可自由調整中心頻率的非重疊2.4GHzISM頻道，支持多個獨立物理層網絡，并能夠提高與現有2.4GHz無線技術共存時的網絡性能。芯片的數據通訊速率為125-2Mbps可選。它包含一個性能卓越的MAC控制器，提供對載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）和時分多址接入（TDMA）協議的支持，并實現前向糾錯(FEC)和128位硬件加密。為了降低對微控制器和軟件的要求，NanoLOC芯片同時提供不規則的自動地址匹配及數據包重發功能。

STM32F103是專門設計于滿足集低功耗、高性能、實時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時鐘速度進行讀/寫,工作頻率可達72MHz,具有串口,JTAG接口,USB接口,SPI接口等13個通信接口.本系統采用STM32F103通過SPI接口使用nanoLOCnTRX驅動發送MAC層信息給nanoLOCTRX收發器來驅動無線通信模塊,控制nanoPAN5375模塊收發信號的工作,并將測距數據通過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云臺轉動模塊的硬件設計

AT89c52是Atemel公司生產的低電壓、高性能CMOS微處理器，片內帶有8KB的可復雜擦寫只讀程序存儲器，共有4個八位I/O接口，功能強大。L298N是SGS半導體公司生產的步進電機專用芯片，能產生四相控制信號，輸出功率高，可用于控制兩相、三相、四相多種步進電機，可與單片機連接，并由其進行控制。

以AT89C52作為云臺轉動模塊的主控芯片，以P0、P1口作為信號的輸入口，用來接收位置處理終端器傳來的位置坐標信息，信息數據經過運算處理以后，再通過P2口輸出脈沖給L298N,從而步進電機的驅動電路工作驅動電機轉動相應的角度，云臺上的攝像機便可以隨之轉向了目標，捕捉到移動標簽的實時圖像信息。每個脈沖會使步進電機帶動云臺轉動一定的角度，這個角度便是攝像頭轉動的最小角度，這個最小角可以根據實際需要設定。本設備暫且設定15，所以攝像頭轉動的角度為15的倍數。點擊選擇用四相步進電機，四位的I/O接口分別控制水平和垂直方向的步進電機轉動，以P2口的低四位來控制垂直方向的步進電機，高四位來控制水平方向的步進電機。

四相步進電機有三種工作方式：單四拍、雙四拍和八拍，四拍時步距角為1.8，八拍是步距角為0.9.可更具設備的需求選擇不同的工作方式。為了提高本系統的精準性，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，步進電機即可以順時針正傳，而反向通電時，步進電機便逆時針反轉，點擊的轉速我們則可以通過改變脈沖信號的頻率來控制。

下圖為主控芯片控制垂直方向步進電機的電路圖，為了單片機不受電機轉動帶來的干擾，能穩定工作，驅動電路里鍵入了反相器和光耦耦合，這樣保證了單片機更加穩定精準的工作。