基于射頻及超聲技術(shù)的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設(shè)計

林盈洪 楊意 鄭奮立 鐘嘉誠

摘 要：該文通過對比幾種常用室內(nèi)定位（In-location）方法，設(shè)計并實現(xiàn)了基于射頻和超聲波技術(shù)相結(jié)合的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用C51系列單片機為主控芯片，nRF24L01芯片作為射頻通訊芯片，結(jié)合超聲波發(fā)射與接收電路，融合射頻和超聲技術(shù)對二維平面上一點的位置信息進行獲取，并通過LCD12864進行測量結(jié)果的顯示。文章詳細的分析了系統(tǒng)的工作原理并進行了測量電路的設(shè)計，由實際測量的數(shù)據(jù)對結(jié)果進行誤差分析可知，測量數(shù)據(jù)誤差在2%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：射頻 超聲波 參考節(jié)點 室內(nèi)定位

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（c）-0002-03

眾所周知，對于室外定位系統(tǒng)，全球定位系統(tǒng)（GPS）[1]已經(jīng)應(yīng)用的成熟可靠，目前常用的車用導(dǎo)航、物流定位等大多數(shù)都利用的是此原理。但是對于室內(nèi)定位，例如機場大廳、礦井內(nèi)部、大型展廳內(nèi)部、大型室內(nèi)停車場以及大型購物商場，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變，建筑物的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布局，以及人為因素等影響，所以實現(xiàn)精確定位的難度較大。目前諾基亞、谷歌、博通甚至一些知名大學(xué)比如美國杜克大學(xué)（Duke University）和芬蘭奧盧大學(xué)（University of Oulu）都有專門研究室內(nèi)定位的小組。美國研究機構(gòu)ABI稱：“室內(nèi)定位技術(shù)（In-location）是下一波熱門定位技術(shù)，該技術(shù)將在2015年-2017年間得到大量部署和實施，是今后移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。” 目前室內(nèi)定位常用的方法有紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍牙定位技術(shù)、射頻識別定位技術(shù)和超寬帶定位技術(shù)等。表1[2]分析了幾種常見無線定位系統(tǒng)的性能表，參照表1，該文設(shè)計了基于51單片機使用超聲波和無線射頻相結(jié)合進行室內(nèi)定位的測量系統(tǒng)，可以有效結(jié)合兩種方法的優(yōu)點，設(shè)計思路清晰，成本較低。根據(jù)實際測量結(jié)果分析，系統(tǒng)采樣穩(wěn)定，數(shù)據(jù)誤差較小，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)的設(shè)計思想及原理

由于射頻信號傳輸速率接近光速，遠高于超聲波傳播速率，因此可以利用射頻信號先激活待測節(jié)點，之后使其接收超聲波信號，利用時間差的方法進行測距。這種技術(shù)成本低，功耗小，精度高[3]。該文便是采用此種方法實現(xiàn)在二維平面內(nèi)對一待測節(jié)點位置信息的獲取。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

如圖1所示。在一個二維平面中，要確定某未知點的位置信息，其實質(zhì)便是求得其在平面坐標(biāo)中的坐標(biāo)值。由數(shù)學(xué)知識可以知道，確定平面上某一未知點（x，y）的坐標(biāo)值只需要知道該點到平面坐標(biāo)中已知的兩個參考點（x1，y1），（x2，y2）的距離d1及d2，再利用兩點間的距離公式（1）式，求解方程組即可求得未知點的坐標(biāo)信息。

（1）

系統(tǒng)的關(guān)鍵就是通過超聲波測出圖1中的距離d1及d2，現(xiàn)在假設(shè)系統(tǒng)某一節(jié)點A具備射頻發(fā)射模塊和超聲波發(fā)射電路，系統(tǒng)另一節(jié)點B具備射頻接收模塊及超聲波接收電路。A節(jié)點同時發(fā)射超聲波與射頻信號，即發(fā)射電磁波。由于電磁波的速度接近光速遠遠大于超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，射頻信號傳播到節(jié)點B的時間忽略不計，當(dāng)節(jié)點B接收到射頻信號時，啟動計時，當(dāng)接收到超聲波信號時停止計時。時間間隔t即是超聲波由A傳播到B所用時間。設(shè)聲速為V，則A，B間距離為：。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

該文系統(tǒng)采用C51系列單片機作為控制芯片，nRF24L01作為射頻通信芯片，利用LCD12864液晶屏進行坐標(biāo)顯示。如圖2所示。系統(tǒng)主要包括三個節(jié)點，分別為1號總控制主節(jié)點，2號參考節(jié)點，以及3號待測節(jié)點。硬件設(shè)計上，各個節(jié)點都包括51單片機最小系統(tǒng)及上電指示電路，射頻收發(fā)模塊（nRF24L01）電路；另外總控制節(jié)點和參考節(jié)點具備超聲波接收電路，待測節(jié)點處安裝超聲波發(fā)射電路。

系統(tǒng)整體通信流程簡述如下：1號總控制主節(jié)發(fā)出射頻觸發(fā)信號，3號待測節(jié)點接收到射頻信號之后報警指示燈亮。同時發(fā)射出射頻同步信號及發(fā)射超聲波。射頻同步信號很快到達1號總控制節(jié)點及2號參考節(jié)點，兩個節(jié)點啟動計時器，待3號節(jié)點發(fā)射的超聲波分別到達1號節(jié)點和2號節(jié)點后，接收到超聲波信號，停止計時。分別獲得超聲波由3號節(jié)點到1號節(jié)點及2號節(jié)點的傳播時間。1號節(jié)點總控制節(jié)點計算出節(jié)點1，3距離。2號節(jié)點參考節(jié)點計算出節(jié)點2，3距離，再利用射頻模塊將數(shù)據(jù)無線傳送給1號總控制節(jié)點?？偪刂乒?jié)點再依據(jù)兩個距離數(shù)據(jù)，已知的節(jié)點1，2的坐標(biāo)計算出3號待測節(jié)點的位置坐標(biāo)。至此，完成系統(tǒng)一個單程通信，如此反復(fù)通信10次，求得位置坐標(biāo)平均值通過1號節(jié)點處的液晶顯示模塊LCD12864顯示待測節(jié)點位置信息。所有的通信流程由1號總控制節(jié)點控制。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計上，文中系統(tǒng)主要涉及單片機小系統(tǒng)，射頻收發(fā)電路，超聲波發(fā)射與接收電路，LCD顯示電路，射頻收發(fā)模塊供電電路。這里主要介紹系統(tǒng)的射頻收發(fā)電路，超聲波發(fā)射與接收電路。

系統(tǒng)無線通信模塊的發(fā)射與接收主要采用nRF24L01芯片作為主控核心。nRF 24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置[4]。由于采用SOC方法設(shè)計因此只需要少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路，再配合簡單的通信協(xié)議，就可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸[5]。將nRF24L01相應(yīng)的控制引腳連接到單片機的P1口上，利用串行通信方式與單片機進行通訊，可以設(shè)置為增強型模式（ShockBurst）下的接收或是發(fā)射狀態(tài)，啟動自動應(yīng)答及自動重發(fā)功能。采用nRF24L01增強型模式時內(nèi)部芯片堆棧區(qū)先入先出，數(shù)據(jù)可從低速微控制器送入，高速發(fā)射出去，地址和校驗碼由硬件自動添加和去除[6]，可以提高系統(tǒng)整體的性能和效率[7]。

系統(tǒng)超聲波發(fā)射電路框圖如圖3所示。系統(tǒng)利用定時器由單片機的I/O端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號，信號送給推挽式功放電路進行功率放大，用以驅(qū)動型號為TCT40-16T的超聲波換能器，發(fā)射出超聲波信號。

系統(tǒng)超聲波接收電路框圖如圖4所示。接收電路的核心是紅外線檢波接收專用芯片CX20106。由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz比較接近，可通過外接電阻微調(diào)芯片內(nèi)部濾波器的中心頻率。當(dāng)超聲波探頭未接收到40 kHz信號時，芯片信號輸出引腳為高電平；當(dāng)接收到與CX20106中心頻率（40 kHz）相符的超聲波信號時，信號輸出引腳輸出下降沿脈沖，將此信號連接到單片機外部中斷引腳上，可觸發(fā)中斷，從而停止超聲波傳播計時。

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖可以參考圖2。系統(tǒng)軟件按功能劃分可以分為LCD顯示，超聲波發(fā)射，射頻通訊，坐標(biāo)計算幾大部分。其中，LCD顯示部分主要是通過時序?qū)σ壕吝M行相應(yīng)的讀寫操作，超聲波發(fā)射部分采用定時器中斷產(chǎn)生40 K方波信號，坐標(biāo)位置計算算法依據(jù)的公式（1）進行計算。下文主要針對射頻通訊部分所進行的軟件配置進行簡述說明。

在圖2的“3射頻同步信號&超聲波信號”過程中，系統(tǒng)各節(jié)點射頻收發(fā)配置如圖5所示。由于nRF24L01在每個通訊頻道上具有6個不同的數(shù)據(jù)通道，因此在設(shè)計上，3號節(jié)點與1號節(jié)點通過數(shù)據(jù)通道0傳輸信號，與2號節(jié)點通過數(shù)據(jù)通道1傳輸信號。3號節(jié)點發(fā)出具有發(fā)送地址編碼的射頻信號被1，2號節(jié)點接收后，1，2號節(jié)點分別啟動定時器計時并通過各自的數(shù)據(jù)通道返回應(yīng)答信號給3號節(jié)點，表示通訊成功3號節(jié)點可以發(fā)出超聲波信號。值得注意的是，3號節(jié)點若是啟動自動重發(fā)功能，則每次重發(fā)等待時間為250 us，這將導(dǎo)致系統(tǒng)測量誤差過大，因此該系統(tǒng)禁止自動重發(fā)，而是由軟件編程重發(fā)3次，判斷是否次數(shù)溢出或是接收到應(yīng)答信號，這樣可以將每次重發(fā)產(chǎn)生的誤差控制在15 us左右。同時，圖2在“1發(fā)出射頻觸發(fā)信號”及“4傳輸距離數(shù)據(jù)”兩個過程中，射頻通信均采用數(shù)據(jù)通道0進行數(shù)據(jù)通信，并且開啟相應(yīng)的自動重發(fā)功能2次，經(jīng)測試系統(tǒng)射頻通訊流程性能穩(wěn)定。

3 實測數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)測試實驗環(huán)境為室內(nèi)地面，其中主控制節(jié)點（1號節(jié)點）坐標(biāo)安裝在原點（0，0）上，參考節(jié)點（2號節(jié)點）坐標(biāo)安裝在y軸點（0，100）上，單位為cm。測量工具為卷尺，精度精確達0.1 cm。對于測試平面上10個不同位置點分別測量10次，得到100個數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

通過分析圖中數(shù)據(jù)，可以得出以下實驗結(jié)論。

（1）定位范圍。

經(jīng)過測試表明，該系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)對于在地面上200 cm×200 cm的二維直角坐標(biāo)系中移動節(jié)點的定位。

（2）系統(tǒng)的平均定位誤差。

X軸的平均定位誤差為3.01（cm）

Y軸的平均定位誤差為3.14（cm）

（3）系統(tǒng)的平均定位精度。

X軸平均定位精度：（200.0-3.01）/200.0×100%=98.50%

Y軸平均定位精度：（200.0-3.14）/200.0×100%=98.43%

（4）誤差分析。

通過實驗測得數(shù)據(jù)并分析，系統(tǒng)測量誤差主要來自以下幾個方面：

①超聲波信號的衰減問題。從表1及表2可以看到，雖然系統(tǒng)測量平均誤差不算太高，但是針對不同的測量區(qū)域其測量誤差明顯不同，隨著各節(jié)點之間距離的不同，超聲波信號的衰減程度會不同導(dǎo)致接收到超聲波信號的時間點不同，引入測量誤差。

②超聲波發(fā)射角問題。從表中數(shù)據(jù)可以看出，在區(qū)域邊緣地帶數(shù)據(jù)的測量誤差偏高，由于超聲波存在發(fā)射角度局限問題，導(dǎo)致超聲波信號接收時間點不同引入測量誤差。

③系統(tǒng)軟件設(shè)計時，在3號節(jié)點發(fā)射同步射頻信號和超聲波過程中，禁止自動重發(fā)次數(shù)而采用軟件編程發(fā)送次數(shù)溢出的方法在每次重發(fā)數(shù)據(jù)過程中需要等待15 us，總共軟件設(shè)計為重發(fā)3次溢出，所以此處可能會引入50us左右的測量誤差。

④數(shù)據(jù)算法計算。系統(tǒng)數(shù)值計算的精度也會引入測量誤差。綜合考慮系統(tǒng)測量要求，51系列單片機的運算能力及速度，以及軟件整體的效率和整潔度。該次系統(tǒng)軟件計算精度都采用16位無符號位整數(shù)數(shù)據(jù)類型，而未引入浮點數(shù)據(jù)類型計算，所以對最終顯示結(jié)果會造成測量誤差。

⑤溫度引起誤差。聲速隨溫度變化關(guān)系可以表示為：V=（331.45+0.61t/℃）m·s-1。但是該系統(tǒng)中沒有考慮溫度補償，而是以聲速標(biāo)準(zhǔn)值340 m/s進行數(shù)據(jù)計算，因此會引入一定測量誤差。

4 結(jié)語

該文設(shè)計了基于射頻和超聲波技術(shù)的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)，并通過設(shè)計得系統(tǒng)進行實際數(shù)據(jù)的測量，分析實驗數(shù)據(jù)可以得出系統(tǒng)的誤差較小。對于存在的誤差提出了可能產(chǎn)生的原因以及后續(xù)的解決方法，期望通過后續(xù)的改進可以使實驗誤差進一步減少，測量范圍也相應(yīng)的增大。

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