基于nRF905的无线传感器网络定位节点设计与实现

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第７卷第２３期２００７年ｌ２月　

科学技术与工程　

Ｖｏ１．７　Ｎｏ．２３　Ｄｅｃ．２００７　

１６７１－１８１９（２００７）２３－６２３９－０５　

Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

⑥２００７　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．　

基于ｎＲＦ９０５的无线传感器网络　

定位节点设计与实现　

杨磊谢桂海　张政保王新锋　

（军械工程学院计算机工程系，石家庄０５０００３）　

摘要无线传感器网络定位是一项在普适计算环境下可实现自身位置信息智能感知的技术。基于无线通信收发芯片　

ｎＲＦ９０５的特性，用单片机ＡＴ８９Ｃ２０５１作为控制器，设计并实现了一个低成本、低功耗的无线传感器定位节点，并把ＤＶ－Ｈｏｐ定　

位算法移植到了该定位节点上；给出了其软件流程。　

关键词普适计算　无线传感器网络　定位　ｎＲＦ９０５　Ａ＇ｒ８９Ｃ２０５１　

中图法分类号ＴＰ３９３．０９；　文献标识码Ｂ　

无线传感器网络（ＷＳＮ）　是普适计算　思想　所示、传感器模块负责监测区域采集和数据转换；　

的一种典型实验环境，ＷＳＮ的定位技术为普适计算　处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存　

提供了重要的位置上下文信息，已成为普适计算领　储和处理本身采集的数据及其他节点发来的数　

域的研究热点。通过部署大量无线传感器节点至　

据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无　

目标区域，利用节点之问的通信、传感、自组织和数　线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应　

据处理等能力，可为用户提供以“人”为中心的随时　模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采　

随地的信息服务。　

用微型电池。　

ｎＲＦ９０５作为低成本、低功耗的射频芯片在现实　在ＷＳＮ中，节点通过飞机布撒、人工布置等方　

生活中有着广泛的应用，本文设计了一种基于　式，大量部署在感知对象内部或者附近，这些节点　

ｎＲＦ９０５的ＷＳＮ定位节点，该定位节点适用于ＤＶ—　

通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感　

Ｈｏｐ、凸规划、质心定位算法等多种无须测距（ｒａｎｇｅ—　知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以　

ｆｒｅｅ）的定位算法＿３］。当网络密度为１０，锚节点（ａｎ．　

实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分　

ｃｈｏｒ　ｎｏｄｅ）比例为１０％时，应用ＤＶ—Ｈｏｐ定位算法时　

析。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继　

定位精度能达到３０％左右。　

方式将数据传回汇聚节点（ｓｉｎｋ　ｎｏｄｅ），最后借助　

ｓｉｎｋ链路将整个区域数据传送到远程控制中心进行　

１　ＷＳＮ定位节点的结构　

集中处理。　

传感器模块　处理器模块　无线通信模块　

ＷＳＮ定位节点由传感器模块、处理器模块、无　

线通信模块和能量供应模块四部分组成　，如图１　

．

匾　州圜　凰一ｉ　

●　●　●　

能量供应模块　

２００７年８月２０日收到　国家自然基金项目（６０３７２０４２）资助　

第一作者简介：杨磊（１９８２一），男，硕士研究生，研究方向：智　

图１　ＷＳＮ传感器节点体系结构　

能检测技术、普适计算，Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇ１９８２１ｅｉ＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ。　

通信作者简介：谢桂海（１９４ｌ一），男，教授，博士生导师，研究　

方向：智能检测技术、小波分析。　

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６２４０　科学技术与工程　７卷　

ｎＲＦ９０５具有“休克爆发”（ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ）特征，可以使　

２定位节点的硬件构成　

本定位系统的定位节点包括两种节点，一种是　

控制节点，一种是一般节点。其中一个ＷＳＮ中有一　

低速微控制器在脉冲激励下瞬时达到很高的射频　

数据发射速率。ｎＲＦ９０５提供了一个与单机进行通　

信的ＳＰＩ接口，数据速率由微控制器配置的ＳＰＩ接　

口的设置决定。数据在微控制器低速传输，而在ＲＦ　

链路中高速发送，ｎＲＦ９０５这种ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ模式可以　

个控制节点，它通过ＲＳ２３２口与计算机相联，控制　

并管理ＷＳＮ区域内的所有一般节点。一般节点不　

能和计算机直接相联，而是通过发送消息给控制节　

点，再通过控制节点把消息返回给计算机。控制节　

点的硬件电路主要由串口ＲＳ２３２、接口芯片　

ＳＰ３２００Ｅ、单片机ＡＴ８９ｃ２０５１、射频芯片ｎＲＦ９０５和　

天线５部分组成。一般节点和控制节点的主要构成　

差不多，由于其不需要与计算机直接通信，故不需　

要串口ＲＳ２３２和接口芯片ＳＰ３２００Ｅ。其构成如图２　

所示。　

图２　ＷＳＮ节点的硬件构成　

２．１单片机Ａｔ８９Ｃ２０５１的功能　

Ａｔ８９Ｃ２０５１是美国ＡＴＭＥＬ公司生产的低电压、　

高性能的ＣＭＯＳ８位单片机，兼容标准的ＭＣＳ－５１指　

令系统。Ａｔ８９Ｃ２０５１采用２０管脚的小型化结构，仅　

存储容量和Ｉ／Ｏ减少，其他配置与性能不减。由于　

它将８位ＣＰＵ和Ｆｌａｓｈ组合在单个芯片中，为嵌入　

式控制应用系统提供了一个高度灵活且价格低廉　

的解决方案。Ａｔ８９ｃ２０５ｌ具有２　ＫＢ的可编程Ｆｌａｓｈ　

Ｍｅｍｏｒｙ、１５个Ｉ／Ｏ口线、两个１６位定时／计数器、１　

个５向量两级中断结构、１个全双工串口、１个精密　

比较器、片内振荡器及时钟电路等，支持两种软件　

可选的节电工作模式　Ｊ。　

２．２射频芯片ｎＲＦｇ０５的功能　

ｎＲＦ９０５是一款工作在４３３／８６８／９１５　ＭＨｚ　ＩＳＭ　

频段的单片射频收发芯片，芯片内部集成了频率合　

成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制　

器。其主要特点是能够自动处理报头和ＣＲＣ冗余　

校验，而且可以直接通过ＳＰＩ接口来进行软件配置。　

有效地减少系统的能耗。　

ｎＲＦ９０５的模式通过ＴＲＸ—ＣＥ、ＴＸ—ＥＮ、ＰＷＲ＿ＵＰ　

的状态来配置，其具体配置方法见表１。　

表ｌ　ｎＲＦ９０５工作模式设置　

ｎＲＦ９０５的输出功率直接关系着定位节点之问　

的作用距离，即节点的无线射程。输出功率越大节　

点的无线射程就越大，ｎＲＦ９０５有４种输出功率，是　

通过配置它的寄存器来的第２个字节的第２位和第　

３位来完成的，具体配置方法见表２。　

表２　ｎＲＦｇ０５输出功率与电流大小对应关系　

测试条件：ＶＤＤ＝３．０　Ｖ，ＶＳＳ＝Ｏ　Ｖ，ＴＡ＝２７￣Ｃ，负载＝４００　ｎ　

２．３硬件电路设计　

本节点的核心电路是单片机Ａｔ８９Ｃ２０５１与　

ｎＲＦ９０５的连接，如图３所示。当ＷＳＮ系统初始化　

时，所有的节点包括，控制节点和一般节点都处于　

待命（Ｓｔａｎｄｂｙ）ＳＰＩ编程模式。控制节点的单片机　

Ａｔ８９Ｃ２０５１一直在监听在计算机ＲＳ２３２口发过来的　

命令。当计算机向控制节点发送定位的命令后，由　

ＲＳ２３２通过接口芯片ＳＰ３２００Ｅ传送到Ａｔ８９Ｃ２０５１的　

ＲｘＤ（Ｐ３．０）管脚，Ａｔ８９Ｃ２０５１根据所收到的命令　

由Ｐ１．７、Ｐ１．６、Ｐ１．５三个Ｉ／０口对ｎＲＦ９０５的ＴＲｘ—　

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２３期　杨磊，等：基于ｎＲＦ９０５的无线传感器网络定位节点设计与实现　

ＶＣＣ　

仁＝＝）—＿＿’　，　

Ｕｌ　

１０Ｋ　

ＤＩＮ　Ｌ－　

Ｖ∞　

Ｐ１－７　

Ｐ１　

Ｐ１５　

Ｐ１－４　

Ｄ＆　７　

Ｐ１３　

Ｐ１２　

Ｐ１．１（　№）　

Ｐ１　ｏ（　

Ｐ３－７　

ＡＴ８９Ｃ２０５１　

研

一一～

图３　Ａｔ

～一一一

８９Ｃ２０５

一∞　

　１与ｎＲＦ９０５主要脚连接图　

ＣＥ、ＴＸ

—

ＥＮ、ＰＷＲ

—

ＵＰ进行赋值，确定其工作模式。　心思想是：先利用典型的距离矢量交换协议，使网　

当Ａｔ８９Ｃ２０５１需要向ｎＲＦ９０５发送数据时，　

络中所有节点获得距锚节点的跳数，每个节点维持　

Ａｔ８９Ｃ２０５１需要按位把所发送的数据送给ｎＲＦ９０５　

一

个表｛置，　，ｈ　｝，并且只与它的邻节点交换、更新　

的ＭＯＳＩ脚（即单片机的Ｐ１．０脚），每赋值一次值需　

信息，保证网络中所有节点记录下的是到锚节点的　

要ｎＲＦ９０５的ＳＣＫ脚（即单片机的Ｐ１．１脚）有一个　

最小跳数ｈ　。然后，其中一个锚节点计算与其它锚　

上跳沿，这样才能把这一位数据发送给ｎＲＦ９０５。当　

节点的距离，并由此估计出平均每跳的距离，并把　

Ａｔ８９Ｃ２０５１需要从ｎＲＦ９０５接收数据时，Ａｔ８９Ｃ２０５１　

它作为校正值（ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）广播给其它邻节点。当　

按位从ｎＲＦ９０５的ＭＩＳＯ脚（即单片机的Ｐ１．２脚）接　节点收到这个校正值之后，丢弃后来得到的校正　

收，当一位数据接收完毕时，ｎＲＦ９０５的ＳＣＫ脚也需　

１　●Ｊ，●　

值，这样就保证大部分节点都是从离它最近的锚节　

要有一个上跳沿，才能把这一位数据完全收到单片　

Ｋ　

点获得校正值，利用这个校正值节点就可以估计出　

机中。当控制节点需要把接收到的数据发送给计　

它与锚节点的距离了。最后可以使用三边定位算　

算机时，是通过单片机上ＴｘＤ（Ｐ３．１）脚传回给计算　

法估计出未知节点的位置。　

机的。　

３．２控制节点的程序设计　

由于控制节点主要是起到一个计算机与一般　

３　ＤＶ－Ｈｏｐ定位算法的软件设计　

节点连接的纽带的作用，因此它的主要功能就是从　

计算机的ＲＳ２３２口接收命令，并通过ｎＲＦ９０５广播　

从应用角度讲，本定位节点可以应用到ＤＶ—　

出去；并接收来自于其他节点的信息，并把这此信　

Ｈｏｐ、凸规划、质心定位算法等多种Ｒａｎｇｅ—Ｆｒｅｅ的定　

息传送给计算机。　

位算法之中。　

３．３锚节点程序设计　

３．１　ＤＶ－Ｈｏｐ的定位原理　

在ＤＶ—Ｈｏｐ算法中锚节点的主要功能是向邻节　

ＤＶ．Ｈｏｐ定位算法是美国路特葛斯大学（Ｒｕｔ—　

点广播自身的位置信息｛置，　，０｝，当它的所有邻　

ｇｅｒｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）的Ｄｒａｇｏｓ　Ｎｉｃｕｌｅｓｃｕ等人利用距离矢　

节点都收到自身的位置信息后，便不再广播。它的　

量路由（ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｒｏｕｔｉｎｇ）和ＧＰＳ定位原理提　

另一个功能是如果收到来自其它锚节点的位置信　

出的６种分布式定位算法（ＡＰＳ）　之一。文献［７］　

息｛　，　，ｈ　｝时，把其中的跳数，ｈ　加１后，并把这　

详细讨论了ＤＶ—Ｈｏｐ算法的定位过程。该算法的核　

个信息即｛　，　，ｈ　＋１｝转发给自己的邻节点。　

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科学技术与工程　７卷　

３．３未知节点程序设计　

未知节点需要根据锚节点的位置信息和距锚　

节点的跳数关系，当接收到三个以上锚节点的具体　

位置后，就可以由三边定位算法计算自身位置了。　

同时未知节点也需要转发给自己的邻节点来自锚　

４结束语　

ｎＲＦ９０５输出功率最大时，作用距离可达近　

２００　ｍ，如表２所示，我们可以通过改变ｎＲＦ９０５的　

输出功率，来改变它的作用距离，进而可以减少定　

节点的位置信息｛置，　，ｈｉ｝。其设计流程如图４　

所示。　

位节点的无线射程，从而在不改变定位精度的前提　

等待来自临节点　

的锚节点信息　

根据ＤＶ—Ｈｏｐ算　

法计算平均每　

跳距离　

ｉ　

Ｙ　

根据未知节点　

与锚节点的跳　

数计算它们之　

间的距离　

Ｎ

Ｉ把距离该锚节点

的跳数　

Ｉ加１．蘑新销节点信息　

把锚节点的位　

置坐标、未知　

节点与锚节点　

存储该锚节点信息　

的距离联立方　

程组，由三边　

定位算法计算　

向其临节点广播该锚节点信息　

未知节点坐标　

向ＷＳＮ中广播自　

上锚节点信息／一喜　。　

己的位置并通　

过控制节点向　

＼

／　

计算发送自己　

．

Ｎ　Ｉ　

坐标位置　

定位结束进入下一个状态　

图４节点的定位流程　

下，通过提高ＷＳＮ定位节点密度，来降低定位误差，　

来满足不同的定位需求。仿真实验表明，在网络密　

度为１０，锚节点比例为１０％时，应用ＤＶ—Ｈｏｐ定位　

算法时本文设计的定位精度能达到３０％左右。因　

此本定位节点具有结构简单，性价比高和易于实现　

的特点。如果对本定位节点的软件稍加改本定位　

节点可扩展到凸规划、质心定位算法等多种无须测　

距的定位算法中。　

参考文献　

１　Ｒｅｎ　Ｆ　Ｙ，Ｈｕａｎｇ　Ｈ　Ｎ，Ｌｉｎ　Ｃ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　

Ｓｏｆｔｗａｒｅ，２００３；１４（２）：１１４８—１１５７　

２　Ｗｅｉｓｅｒ　Ｍ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　２１　ｓｔ　ｃｅｎｔｕｒｙ．Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　Ａｍｅｒｉｃａｎ，　

１９９１；２６５（３）：９４—１０４　

３王福豹，史龙，任丰原，等．无线传感器网络中的自身定位系统　

和算法．软件学报，２００５；１６（５）：８５７—８６８　

４孙利民，李建中，陈渝，等．无线传感器网络．北京：清华大学出　

版社，２００５：１３５—１５５　

５李群芳，张士军，黄建．单片机微型计算机与接口技术．北京：　

电子工业出版社，２００５　

６　Ｎｉｃｏｌｅｓｃｕ　Ｄ，Ｎａｔｈ　Ｂ．Ａｄ—Ｈｏｃ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　

２００１　ＩＥＥＥ　Ｇｌｏｂａｌ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｆ．Ｓａｎ　Ａｎｔｏｎｉｏ：ＩＥＥＥ　

Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｓｏｃｉｅｔｙ．２００１：２９２６—＿２９３１　

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２３期　杨磊，等：基于ｎＲＦ９０５的无线传感器网络定位节点设计与实现　６２４３　

Ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　Ａｃｈｉｅｖｅｄ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｎｏｄｅ　ｏｆ　ＷＳＮ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｎＲＦ９０５　

ＹＡＮＧ　Ｌｅｉ，ＸＩＥ　Ｇｕｉ—ｈａｉ　，ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｅｎｇ—ｂａｏ，ＷＡＮＧ　Ｘｉｎ—ｆｅｎｇ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＯＴｄｎａｎ￣Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５０００３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＷＳＮ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｌｏｃａｔｉｏｎ—ａｗａｒｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ．Ｉｔ　

ｄｅｓｉｇｎｓ　ａ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｃｏｎｓｕｍｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｎｏｄｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｎ￣ｏＨｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ＭＣＵ　Ａｔ８９Ｃ２０５　１．Ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ　

ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｎｏｄｅ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｎＲＦ９０５．Ａｎｄ　ｉｔ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＶ—Ｈｏｐ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｕｓｅｄ　ｔｈｉｓ　

ｎｏｄｅ．　

［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｎＲＦｇ０５　ＡＴ８９Ｃ２０５　１　

（上接第６２２４页）　

ＭＢ　Ｌａｙｅｒ　Ｒａｔｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ—ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　

ＬＩ　Ｘｉ—ｈｕｉ，ＴＡＮＧ　Ｈａｉ—ｒｏｎｇ　，ＸＩＡＮＧ　Ｃｈａｎｇ—ｘｉ　

（Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｕｎａｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１０２００，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；　

Ｄｅｐｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐ　，Ｈｕｎａｎ　ｏｆ　Ａｒｔｓ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　，Ｃｈａｎｇｄｅ　４１５００３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｅｒｒｏｒ　ｉｎ　Ｈ．２５４，ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｔｈｅ　ｓｐａｃｅ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｒｅｌｅｖａｎｃｅ　ｏｆ　

ｔｈｅ　ｖｉｄｅｏ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｃｒｏ　ｂｌｏｃｋｓ　ｌｅｖｅｌ　ｒａｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｉｓ　

ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ＪＶＴ—Ｇ０１２　ｉｎ　ＪＶＴ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕ—　

ｒａｒｅｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ＰＳＮＲ　ｏｆ　ａｌｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　

［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］　ｒａｔｅ　ｃｏｎｔｏｒｌ　ＭＡＤ　ＭＣＣＢＡ　ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ