厘米級室內(nèi)無線定位方法研究

尹夢雪

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)充，人們對定位和導(dǎo)航的需求也越來越大，但是，市場上的定位工具很難滿足人們對精確度的要求。簡要介紹了將聲波與射頻技術(shù)相結(jié)合完成定位工作一種方案，利用時(shí)間差測距，預(yù)計(jì)定位精度為20～50 mm，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；超聲波；電磁波；時(shí)間差

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.009

1 方案概述

定位裝置包括發(fā)射裝置和接收裝置兩部分。發(fā)射裝置同時(shí)發(fā)射電磁波和超聲波信號(hào)，接收裝置從接收到電磁波信號(hào)開始計(jì)時(shí)，到第一次收到聲波信號(hào)為止，由此得到Δt，接收裝置據(jù)此計(jì)算出其與發(fā)射裝置的距離。至此，分別得到3個(gè)不同發(fā)射裝置的坐標(biāo)和接收裝置到發(fā)射裝置的距離，即可算出接收裝置在空間中的坐標(biāo)。

2 定位原理

定位裝置的定位原理如圖1所示。

室內(nèi)環(huán)境是三維立體空間，傳感器節(jié)點(diǎn)有2種，分別為發(fā)射器和接收器節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，則假設(shè)發(fā)射器2節(jié)點(diǎn)之間的距離為L，坐標(biāo)為（x，y，z），其中，x>0，y≥0，z≥0. 由于該節(jié)點(diǎn)發(fā)射的超聲波信號(hào)方向性比較強(qiáng)，所以，需要合理布置發(fā)射器的節(jié)點(diǎn)位置。經(jīng)過計(jì)算，發(fā)射器距離接收器節(jié)點(diǎn)平面至少要保持大約180 cm的距離。

如圖3所示，超聲波信號(hào)到達(dá)接收器的路徑有2條，分別是直接到達(dá)的路徑P1和通過反射到達(dá)的路徑P2。假設(shè)2條路徑分別為L1和L2，信號(hào)沿這2條路徑到達(dá)接收器的時(shí)間間隔為T，例如L1-L2=2 m，T=（L2-L1）/V，則T≈6 ms。

設(shè)超聲波發(fā)射器與接收器之間的距離為R，則傳播時(shí)間為R/V。超聲波發(fā)射的脈沖持續(xù)寬度是Tus，則超聲信號(hào)可以在時(shí)間Dus=R/V+Tus內(nèi)消失。因此，發(fā)射器的超聲信號(hào)在時(shí)間間隔Dus內(nèi)將消失，發(fā)射器發(fā)射的RF信號(hào)由于時(shí)間短也會(huì)消失，即如果2個(gè)發(fā)射器信號(hào)傳播的間隔時(shí)間大于Dus，那么，接收器在接收信號(hào)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生干擾。在規(guī)定的距離內(nèi)，本文采取將發(fā)射器的發(fā)射時(shí)間間隔調(diào)為最小Dus的方法將發(fā)射器之間的干擾最小化。

在靜態(tài)過程中，接收器可以同時(shí)接收3個(gè)及以上的發(fā)射器信號(hào)，并通過式（1）得到距離值。式（1）為：

3 硬件結(jié)構(gòu)

3.1 微控模塊

該方案選用P89V51芯片，芯片核心處理單元為80C51。

3.1.1 考慮到測量精度

由于測距的誤差要求小于1 mm，超聲波速度C=344 m/s（在20 ℃室溫下），則測距誤差△t<（0.001/344）≈0.000 002 907 s=2.907 μs。只要保證時(shí)間差達(dá)到微秒級，那么，測距誤差就可以小于1 mm。因此，系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1 mm的測量范圍內(nèi)。

3.1.2 電源模塊

直接使用市面上銷售的手機(jī)充電器，從220 V民用電中得到5 V直流電。

3.1.3 串行通信模塊

串行通訊電路存在于控制系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端，用于接收PC機(jī)發(fā)出的指令，并調(diào)試程序。

3.2 RF模塊

RF模塊主要用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射和接收。該模塊的作用是通過信號(hào)發(fā)射和接收芯片CC1100來實(shí)現(xiàn)的。在該系統(tǒng)中，設(shè)置該芯片的頻率為433 MHz，這樣可以實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性的數(shù)據(jù)傳送。

控制過程可以分為參數(shù)初始化配置、接收數(shù)據(jù)和發(fā)射數(shù)據(jù)3部分。

3.3 超聲波發(fā)射模塊

多諧振蕩電路輸出信號(hào)是由時(shí)基電路及其外圍元件構(gòu)成的。由于超聲波傳感器的中心頻率為40 kHz，所以，要求驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭的信號(hào)頻率也必須為40 kHz。在理想情況下，驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)為正弦波形或占空比為1的方波。在發(fā)射探頭允許的電壓范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值要盡量大，這樣才可以獲得較大的發(fā)射功率，進(jìn)而擴(kuò)大系統(tǒng)的測量范圍。

3.4 超聲波接收模塊

該系統(tǒng)的超聲檢測電路采用集成芯片CX20106A。這是一款用于接收紅外線檢波的專用芯片，它是由前置放大器、陷波放大器電路、帶通濾波電路、陷波放大器電路、波形整形電路和峰值濾波器等組成。常用的載波頻率為38 kHz，與測距所有的超聲波頻率40 kHz比較接近，因此，可以把它作為超聲檢波電路。當(dāng)超聲波接收端接收到40 kHz的方波信號(hào)時(shí)，超聲信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過CX20106A放大、濾波、整形后輸出負(fù)脈沖電壓，驅(qū)動(dòng)放大器將信號(hào)送入單片機(jī)的外部中斷口。單片機(jī)在得到外部中斷請求后，會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷的中斷服務(wù)程序作處理。

3.5 溫度補(bǔ)償模塊

因?yàn)槁曀賹囟茸兓谋憩F(xiàn)比較敏感，并且室內(nèi)晝夜有一定溫差，所以，為了減小測距誤差，溫度補(bǔ)償是不可忽略的。

聲速修正采用式（2）修正：

本文利用溫度傳感器DS18B20測量溫度。

4 結(jié)論

在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，比如地下停車場、大型超市和圖書館等，經(jīng)常需要獲取移動(dòng)終端或其持有者和室內(nèi)物品的位置信息。因此，厘米級室內(nèi)定位的研究與應(yīng)用是非常重要的，這也是當(dāng)下的熱點(diǎn)問題，而且其市場需求空間非常廣。

〔編輯：白潔〕