基于超聲波的定位系統研究與實(shí)現

　　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)。