基于超聲波的定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

　　傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線電通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境定位、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等諸多領(lǐng)域。 

　　超聲波定位的原理與無線電定位系統(tǒng)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(cè)距系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際中應(yīng)用，測(cè)距精度為厘米級(jí)。超聲波定位系統(tǒng)可用于無人車間等場(chǎng)所中的移動(dòng)物體定位。

　　1 超聲檢測(cè)原理

　　1.1 回波信號(hào)

　　超聲檢測(cè)信號(hào)分析系統(tǒng)的原理是通過超聲檢測(cè)儀和信號(hào)采樣裝置及計(jì)算機(jī)的相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)電信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并完成檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)根據(jù)己量化的回波信號(hào)數(shù)據(jù)，利用有關(guān)理論及技術(shù)作相應(yīng)處理。超聲檢測(cè)是一種物理手段，利用超聲波的性質(zhì)來判斷目標(biāo)的距離。是根據(jù)超聲波在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到界面反射所呈現(xiàn)的特征來判斷物體位置狀況的無損檢測(cè)方法。

　　超聲波檢測(cè)中常用技術(shù)是把超聲波短脈沖發(fā)送至被測(cè)物體，當(dāng)聲波自物體的非連續(xù)性結(jié)構(gòu)或邊界返回時(shí)，獲取其回波波形。當(dāng)波觸及物體前壁面時(shí)，有幾個(gè)振蕩周期的窄帶隨機(jī)波產(chǎn)生，稱為始波，與此同時(shí)，還有一部分超聲波滲入被測(cè)物體，觸及物體的后壁面，又可得到振蕩的回波，稱為底波。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(dāng)聲波觸及被測(cè)物體內(nèi)的氣孔、雜質(zhì)等非連續(xù)性目標(biāo)位置時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生回波，據(jù)此得出目標(biāo)位置的信息，如目標(biāo)位置在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的大致位置性質(zhì)等。

　　1.2 模型的建立

　　超聲波檢測(cè)中所處理的是振蕩波，具有窄帶隨機(jī)信號(hào)的特性。傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)設(shè)備采取硬件檢波的方法提取回波包絡(luò)，檢測(cè)精度和主峰位置的精確定位都無法保證。由于目標(biāo)回波位置直接決定了測(cè)量精度，尤其對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，如何精確測(cè)定出回波位置是技術(shù)的關(guān)鍵所在。本文介紹的信號(hào)采集系統(tǒng)包括傳感器信號(hào)采集設(shè)計(jì)及傳感器與MOTE之間信息傳遞的硬件設(shè)計(jì)與構(gòu)造。超聲波傳感器的特點(diǎn)是其方向性好且可以達(dá)到厘米級(jí)定位精度，在一些要求較高的定位系統(tǒng)如DPEG及Crickets都是采用基于超聲波傳感器的測(cè)距方式。

　　超聲波傳感器的工作原理是：信號(hào)時(shí)間在零時(shí)刻發(fā)出一束聲波，假設(shè)傳感器在經(jīng)過時(shí)間t后接收到返回的超聲波，根據(jù)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(jù)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(shè)備關(guān)系密切的采樣值。在系統(tǒng)中，假設(shè)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?cè)趯?shí)際中發(fā)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)與實(shí)際的距離還存在一個(gè)線性關(guān)系，利用16位的定時(shí)器能夠探測(cè)的距離僅在1.46m之內(nèi)，這對(duì)于目標(biāo)定位系統(tǒng)是災(zāi)難性的限制。對(duì)此采用降低時(shí)間精度來提高超聲波的工作范圍，把時(shí)間精度降低為原來的1／3，則實(shí)際的探測(cè)范圍相應(yīng)提高到原來的3倍，達(dá)到4.8m。經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，證明該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)且有良好準(zhǔn)確的測(cè)距效果。

　　2 系統(tǒng)的組成

　　系統(tǒng)由超聲波傳感器、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)絡(luò)、筆記本和線遙控玩具小汽車組成。如圖1所示。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳人計(jì)算機(jī)，服務(wù)程序解析數(shù)據(jù)內(nèi)容并進(jìn)行處理，一部分內(nèi)容于事件歸類后存入數(shù)據(jù)陣，用作分析查詢。另一部分內(nèi)容僅用于不同傳感器之間的數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)將其丟棄，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間和能量有限，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不僅會(huì)浪費(fèi)空間，而且會(huì)耗費(fèi)電池。數(shù)據(jù)庫根據(jù)需要可以選擇數(shù)據(jù)進(jìn)行位置估算，然后再對(duì)風(fēng)向、障礙物、地面高低起伏等影響因素進(jìn)行參數(shù)修正，確定目標(biāo)在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的位置信息。后臺(tái)系統(tǒng)通過無線網(wǎng)關(guān)與無線傳感器實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)。另外這些消息需通知負(fù)責(zé)用戶界面部分的程序模塊，以可視化的力式顯示定位到的內(nèi)容。

　　超聲波定位系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)上與無線電定位有所不同。不同發(fā)射點(diǎn)的無線電信號(hào)可以用不同的頻率來區(qū)分，而超聲波系統(tǒng)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(hào)區(qū)分開來的方法。我們采用帶地址編碼的無線電觸發(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(tǒng)為例。主體部分由微處理機(jī)電路、超聲波接收電路和無線電編碼觸發(fā)電路組成；發(fā)射點(diǎn)部分由超聲波發(fā)射電路和無線電編碼接收電路組成。系統(tǒng)的工作過程首先由微處理機(jī)選定要觸發(fā)的發(fā)射點(diǎn)地址，啟動(dòng)發(fā)射電路并開始計(jì)時(shí)，在給定時(shí)間內(nèi)如果接收到信號(hào)則由延遲時(shí)間計(jì)算出主體到發(fā)射點(diǎn)的距離。與超聲波相比，無線電波的傳輸時(shí)間可忽略不計(jì)；如果在給定時(shí)間內(nèi)沒有接收到信號(hào)，則認(rèn)為主體到發(fā)射點(diǎn)的距離已超過可接收距離。當(dāng)接收到足夠的發(fā)射點(diǎn)信號(hào)后，可由主體到各個(gè)發(fā)射點(diǎn)的距離計(jì)算出主體的位置坐標(biāo)。由于超聲波在空氣中的傳播速度隨著環(huán)境條件的不同而變化，為了提高測(cè)量精度，還需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。

　　MICA2與超聲波傳感器通過—個(gè)51陣的接口相連接，超聲波傳感器電源通過外接電池組實(shí)現(xiàn)供電。MICA2的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)的8位微控制器，是目前AVR系列中功能最強(qiáng)大的單片機(jī)。AVR核將32個(gè)工作寄存器和指令集聯(lián)結(jié)在—起，所有的工作寄存器都與ALU直接相連，實(shí)現(xiàn)在—個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行單條指令的同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立寄存器的操作，這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，在性能上比普通單片機(jī)提高約10倍。Atmega128L具有豐富的資源和較低功耗。片內(nèi)有128KB的程序Flash、4KB的數(shù)據(jù)SRAM、可外擴(kuò)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(jì)數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作；8個(gè)PWM通道、可編程看門狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器UART、SPI、I2C總線接口；JTAG接口除了正常操作模式外，還具有6種不同等級(jí)的低功耗操作模式，每種模式具有不同的功耗。MICA2的數(shù)據(jù)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)器件的無線通信模塊CC2420組成。節(jié)點(diǎn)的MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，MAC層采用的是基于ESMA-CA的機(jī)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(shù)據(jù)傳輸單元模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbit／s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。