基于超聲波的定位系統設計

　傳感器技術(shù)、微機電系統、現代網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)電通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)生和發(fā)展。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有廣闊的應用前景，能應用于軍事國防、工農業(yè)控制、城市管理、生物醫療、環(huán)境定位、搶險救災、危險區域遠程控制等諸多領(lǐng)域。

　　超聲波定位的原理與無(wú)線(xiàn)電定位系統相仿，只是由于超聲波在空氣中的衰減較大，只適用于較小的范圍。超聲波在空氣中的傳播距離一般只有幾十米。短距離的超聲波測距系統已經(jīng)在實(shí)際中應用，測距精度為厘米級。超聲波定位系統可用于無(wú)人車(chē)間等場(chǎng)所中的移動(dòng)物體定位。

　　1 超聲檢測原理

　　1.1 回波信號

　　超聲檢測信號分析系統的原理是通過(guò)超聲檢測儀和信號采樣裝置及計算機的相互協(xié)調，實(shí)現超聲檢測電信號的模數轉換，并完成檢測數據的存儲，計算機根據己量化的回波信號數據，利用有關(guān)理論及技術(shù)作相應處理。超聲檢測是一種物理手段，利用超聲波的性質(zhì)來(lái)判斷目標的距離。是根據超聲波在檢測區域內運動(dòng)時(shí)遇到界面反射所呈現的特征來(lái)判斷物體位置狀況的無(wú)損檢測方法。

　　超聲波檢測中常用技術(shù)是把超聲波短脈沖發(fā)送至被測物體，當聲波自物體的非連續性結構或邊界返回時(shí)，獲取其回波波形。當波觸及物體前壁面時(shí)，有幾個(gè)振蕩周期的窄帶隨機波產(chǎn)生，稱(chēng)為始波，與此同時(shí)，還有一部分超聲波滲入被測物體，觸及物體的后壁面，又可得到振蕩的回波，稱(chēng)為底波。利用始底波之間的時(shí)間間隔與己知的聲波在物體中的速度，便可算出物體的距離。同樣，當聲波觸及被測物體內的氣孔、雜質(zhì)等非連續性目標位置時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生回波，據此得出目標位置的信息，如目標位置在檢測區域內的大致位置性質(zhì)等。

　　1.2 模型的建立

　　超聲波檢測中所處理的是振蕩波，具有窄帶隨機信號的特性。傳統的超聲波檢測設備采取硬件檢波的方法提取回波包絡(luò )，檢測精度和主峰位置的精確定位都無(wú)法保證。由于目標回波位置直接決定了測量精度，尤其對運動(dòng)目標，如何精確測定出回波位置是技術(shù)的關(guān)鍵所在。本文介紹的信號采集系統包括傳感器信號采集設計及傳感器與MOTE之間信息傳遞的硬件設計與構造。超聲波傳感器的特點(diǎn)是其方向性好且可以達到厘米級定位精度，在一些要求較高的定位系統如DPEG及 Crickets都是采用基于超聲波傳感器的測距方式。

　　超聲波傳感器的工作原理是：信號時(shí)間在零時(shí)刻發(fā)出一束聲波，假設傳感器在經(jīng)過(guò)時(shí)間t后接收到返回的超聲波，根據公式s=vt，取值v為34000cm/s，實(shí)際中的超聲波發(fā)射時(shí)間單位是毫秒(mm)，換算后為10-6s，則

　　根據此公式可求得距離值s，其中值與傳感器的定時(shí)器有關(guān)，是一個(gè)與硬件設備關(guān)系密切的采樣值。在系統中，假設超聲波傳感器的定時(shí)器為16位，則 216=65536，65536/58=1129，即能夠定位的范圍在11H左右。我們在實(shí)際中發(fā)現采集到的數據與實(shí)際的距離還存在一個(gè)線(xiàn)性關(guān)系，利用 16位的定時(shí)器能夠探測的距離僅在1.46m之內，這對于目標定位系統是災難性的限制。對此采用降低時(shí)間精度來(lái)提高超聲波的工作范圍，把時(shí)間精度降低為原來(lái)的1/3，則實(shí)際的探測范圍相應提高到原來(lái)的3倍，達到4.8m。經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗，證明該設計可以實(shí)現且有良好準確的測距效果。

　　2 系統的組成

　　系統由超聲波傳感器、節點(diǎn)網(wǎng)關(guān)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、筆記本和線(xiàn)遙控玩具小汽車(chē)組成。如圖1所示。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳人計算機，服務(wù)程序解析數據內容并進(jìn)行處理，一部分內容于事件歸類(lèi)后存入數據陣，用作分析查詢(xún)。另一部分內容僅用于不同傳感器之間的數據融和，即不同傳感器的自身位置信皂在進(jìn)行通信控制之后，由傳感器節點(diǎn)將其丟棄，因為傳感器節點(diǎn)的存儲空間和能量有限，大量的數據存儲不僅會(huì )浪費空間，而且會(huì )耗費電池。數據庫根據需要可以選擇數據進(jìn)行位置估算，然后再對風(fēng)向、障礙物、地面高低起伏等影響因素進(jìn)行參數修正，確定目標在檢測區域內的位置信息。后臺系統通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)與無(wú)線(xiàn)傳感器實(shí)現聯(lián)絡(luò )。另外這些消息需通知負責用戶(hù)界面部分的程序模塊，以可視化的力式顯示定位到的內容。

　　超聲波定位系統在具體實(shí)現上與無(wú)線(xiàn)電定位有所不同。不同發(fā)射點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)電信號可以用不同的頻率來(lái)區分，而超聲波系統難以做到，因此必須有一種能夠把各個(gè)發(fā)射點(diǎn)的超聲波信號區分開(kāi)來(lái)的方法。我們采用帶地址編碼的無(wú)線(xiàn)電觸發(fā)電路分別觸發(fā)各個(gè)發(fā)射點(diǎn)。

　　以發(fā)射點(diǎn)固定、主體接收的超聲波定位系統為例。主體部分由微處理機電路、超聲波接收電路和無(wú)線(xiàn)電編碼觸發(fā)電路組成;發(fā)射點(diǎn)部分由超聲波發(fā)射電路和無(wú)線(xiàn)電編碼接收電路組成。系統的工作過(guò)程首先由微處理機選定要觸發(fā)的發(fā)射點(diǎn)地址，啟動(dòng)發(fā)射電路并開(kāi)始計時(shí)，在給定時(shí)間內如果接收到信號則由延遲時(shí)間計算出主體到發(fā)射點(diǎn)的距離。與超聲波相比，無(wú)線(xiàn)電波的傳輸時(shí)間可忽略不計;如果在給定時(shí)間內沒(méi)有接收到信號，則認為主體到發(fā)射點(diǎn)的距離已超過(guò)可接收距離。當接收到足夠的發(fā)射點(diǎn)信號后，可由主體到各個(gè)發(fā)射點(diǎn)的距離計算出主體的位置坐標。由于超聲波在空氣中的傳播速度隨著(zhù)環(huán)境條件的不同而變化，為了提高測量精度，還需要對測量結果進(jìn)行校正。

　　MICA2與超聲波傳感器通過(guò)—個(gè)51陣的接口相連接，超聲波傳感器電源通過(guò)外接電池組實(shí)現供電。MICA2的數據處理單元采甩Atmel公司的Atmega128L微控制器，它采用低功耗CMOST工藝生產(chǎn)的基于RISC結構的8位微控制器，是目前AVR系列中功能最強大的單片機。AVR核將32個(gè)工作寄存器和指令集聯(lián)結在—起，所有的工作寄存器都與ALU直接相連，實(shí)現在 —個(gè)時(shí)鐘周期內執行單條指令的同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨立寄存器的操作，這種結構提高了代碼效率，在性能上比普通單片機提高約10倍。Atmega128L具有豐富的資源和較低功耗。片內有128KB的程序Flash、4KB的數據SRAM、可外擴到64KB的E2PROM。此外，還有8個(gè)10位ADC通道、2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計數器，并可在多種不同的模式下工作;8個(gè)PWM通道、可編程看門(mén)狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器UART、SPI、I2C總線(xiàn)接口;JTAG接口除了正常操作模式外，還具有6種不同等級的低功耗操作模式，每種模式具有不同的功耗。MICA2的數據傳輸單元模塊由Chipson公司生產(chǎn)的低功耗、短距離的符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件的無(wú)線(xiàn)通信模塊CC2420組成。節點(diǎn)的MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規范，MAC層采用的是基于ESMA-CA的機制，該芯片只需極少外部元器件，可確保短距離通信的有效性和可靠性。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250kbit/s，可以實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，系統體積小、成本低、功耗小，適于電池長(cháng)期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點(diǎn)。

　　3 軟件系統的設計

　　軟件系統將設計的目標定位系統布置在實(shí)際的物理硬件上并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗研究。應用系統的軟件流程見(jiàn)圖2所示。

　　在初始階段，所有節點(diǎn)處于工作狀態(tài)，通過(guò)節點(diǎn)分組組件選擇值班節點(diǎn)監控覆蓋區域;當值班節點(diǎn)定位到事件后，喚醒相鄰節點(diǎn)采集數據，節點(diǎn)將收集的數據匯聚至頭節點(diǎn)，頭節點(diǎn)進(jìn)行初步處理以減少錯誤數據向網(wǎng)關(guān)傳送所引起的路由擁塞;網(wǎng)關(guān)將從底層接收到的數據傳送到具有較強處理能力的基站從而估算出發(fā)生事件的大致位置。

　4 通訊控制結構

　　在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的通訊過(guò)程中，節點(diǎn)在無(wú)工作任務(wù)時(shí)的空閑偵聽(tīng)耗費了相當寶貴的能量資源;同時(shí)無(wú)線(xiàn)信號在轉發(fā)過(guò)程中存在丟包、串音、局部消息匯集而引起的擁塞等，在網(wǎng)絡(luò )通訊控制結構設計中必須考慮這些問(wèn)題。為提高系統的擴充性和適應性，采用構建包括節點(diǎn)分組、能量管理、路由選擇、時(shí)間同步以及定位估計等多個(gè)系統組件，方便對系統的進(jìn)一步修改和提高。

　　與目前Internet網(wǎng)絡(luò )的層結構相比，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統在實(shí)際中一般分為物理層、無(wú)線(xiàn)鏈路層、路由層和應用層，層與層之間通過(guò)接口傳遞消息。目前傳輸層并沒(méi)有被傳感器網(wǎng)絡(luò )所采用，主要是因為傳統的消息確認會(huì )造成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能量巨大損耗，而傳感器網(wǎng)絡(luò )數據傳輸量巨大，對少量丟失的數據并不敏感，所以傳輸層在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的重要性并不大。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)能量有限、數據傳輸率低、可靠性和安全性較差。而且在系統運行期間節點(diǎn)可能隨時(shí)會(huì )遷入、移出或因為能量耗盡而失效、位置移動(dòng)等，由此引起網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和通訊鏈路控制結構變化。為了盡量延長(cháng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生存期，網(wǎng)絡(luò )通訊控制結構應盡量滿(mǎn)足以下條件：當系統處于空閑監聽(tīng)狀態(tài)時(shí)，留下少數節點(diǎn)維持基本鏈路而使其他節點(diǎn)進(jìn)入休眠;因為節點(diǎn)的可靠性相對較差，需要保證骨干鏈路的冗余度;大量節點(diǎn)發(fā)送的數據對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)是一項繁重的任務(wù)，有效運用數據融合、分布式處理等技術(shù)可減少冗余數據并降低無(wú)線(xiàn)通訊的次數;提高擴展性和魯棒性，適應節點(diǎn)遷入、移出或失效等各種變化。在應用中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的能量消耗與其在通訊過(guò)程中采用的方式有密切關(guān)系。

　　在實(shí)際環(huán)境中，通過(guò)對設定的網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域的連續定位，發(fā)現其事件準確預測率在網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍內的發(fā)現率很高，事件誤報率很低，這意味著(zhù)在實(shí)際中雖然節點(diǎn)的正確數據被發(fā)送，但同時(shí)可能在下一個(gè)時(shí)刻發(fā)送的數據是錯誤的，這也從側面說(shuō)明了采取一定措施限制誤報率的必要性。

　　對于目標定位系統而言，實(shí)時(shí)性是其關(guān)注的另外—個(gè)要點(diǎn)，如果系統不能及時(shí)將網(wǎng)絡(luò )系統的處理結果反饋，再完美的計算結果也無(wú)意義。從理論上說(shuō)，系統的延時(shí)是決定性的因素。

　　5 結束語(yǔ)

　　超聲波定位系統可用于一定范圍的無(wú)接觸定位，定位精度可達1cm。由于超聲波的傳播受環(huán)境影響較大，故不推薦在室外使用。在實(shí)際應用中根據環(huán)境和具體要求其應用電路可作適當改進(jìn)。例如可以將編碼信號直接加入到超聲波信號中，這樣的系統可直接用于對象的識別。為了增加接收靈敏度，還可以采用類(lèi)似雷達天線(xiàn)的反射裝置。本文對回波信號進(jìn)行處理，消減了噪聲的影響，較好地完成了超聲信號處理的初期工作。建立的超聲回波信號處理數學(xué)模型易于實(shí)現;目標定位精度高，避免了傳統的模擬檢測器誤差大的缺點(diǎn)，為危險性目標位置的精度定位提供了借鑒作用。