基于單片機(jī)的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)

高子晉

摘 要 文章主要介紹了一種基于超聲波測(cè)距技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。硬件方面詳細(xì)介紹了同步無(wú)線(xiàn)信號(hào)處理電路、超聲波收發(fā)電路、溫度補(bǔ)償電路等。軟件方面主要介紹了室內(nèi)定位的算法、主控機(jī)程序流程以及測(cè)量點(diǎn)處單片機(jī)程序結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞 超聲波測(cè)距；室內(nèi)定位算法；程序流程

中圖分類(lèi)號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）205-0138-02

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求日益增大，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如機(jī)場(chǎng)大廳、展廳、倉(cāng)庫(kù)、超市、圖書(shū)館、地下停車(chē)場(chǎng)、礦井等環(huán)境中，常常需要確定各種設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。但是受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術(shù)目前還無(wú)法很好地利用。因此，專(zhuān)家學(xué)者提出了許多室內(nèi)定位技術(shù)解決方案，如GPS技術(shù)、紅外線(xiàn)技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、超寬帶技術(shù)、WiFi技術(shù)、ZigBee技術(shù)、超聲波技術(shù)等。

超聲波是一種頻率超過(guò)20kHz的機(jī)械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦浴瓷?、折射、干涉、衍射、散射。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點(diǎn)，易于獲得較集中的聲能，可產(chǎn)生較大力量?？捎糜跍y(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。

1 超聲波測(cè)量的定位算法

超聲波測(cè)量的定位也分為三球定位原理和三圓定位原理兩種情況。

應(yīng)用于三維坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)稱(chēng)為三球定位原理，應(yīng)用與二維坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)稱(chēng)為三圓定位原理。它是利用超聲波傳感器能感超聲波物理現(xiàn)象，把感知到的超聲波的時(shí)間差作為測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行定位的。基于超聲波測(cè)量的定位算法的原理圖如圖所示。

將超聲波的時(shí)間差定義為一組聲波數(shù)據(jù)。聲波數(shù)據(jù)與聲速的乘積就為聲源到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際距離，利用三組超聲波數(shù)據(jù)，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三圓定位。三圓定位法中目標(biāo)的位置是由以各站為圓心，以各站同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的距離為半徑的三個(gè)圓的交點(diǎn)來(lái)確定。

2 超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)由主系統(tǒng)和攜帶機(jī)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，主系統(tǒng)由上位機(jī)、通信控制器、單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路、超聲波接收電路組成：

室內(nèi)放置至少3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)包括測(cè)溫模塊、超聲波接收設(shè)備，信號(hào)處理部分。主系統(tǒng)需要一臺(tái)用于計(jì)算與顯示的計(jì)算機(jī)。被跟蹤的物體攜帶無(wú)線(xiàn)接收模塊，超聲波發(fā)射模塊和信號(hào)控制部分。首先，由計(jì)算機(jī)發(fā)射無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，同時(shí)計(jì)算機(jī)通知各個(gè)控制點(diǎn)開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)被跟蹤的物體接收到無(wú)線(xiàn)電信號(hào)后，和自己ID進(jìn)行比較，確認(rèn)ID后，由信號(hào)控制部分控制超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)接收到超聲波后停止計(jì)時(shí)，并由信號(hào)處理部分把時(shí)間、室內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)打包，接到計(jì)算機(jī)可傳送數(shù)據(jù)命令后傳回給計(jì)算機(jī)。采用RS—442接口完成計(jì)算機(jī)和控制點(diǎn)的通訊。當(dāng)相關(guān)數(shù)據(jù)傳送完畢后，主控制系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)算并把計(jì)算結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)上。由于一個(gè)控制點(diǎn)只能完成本控制點(diǎn)與物體之間距離的測(cè)量。所以只能確定物體在以此控制點(diǎn)為圓心，測(cè)得的距離為半徑的球面上。兩個(gè)點(diǎn)則相當(dāng)于兩球面相交，可確定物體在一個(gè)圓上。三個(gè)點(diǎn)則相當(dāng)于兩個(gè)園相交，可確定物體在以3測(cè)量點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)面一上一下的兩個(gè)點(diǎn)。由于本系統(tǒng)是室內(nèi)定位，將對(duì)稱(chēng)面置于地面則可排除對(duì)稱(chēng)面下方點(diǎn)坐標(biāo)。因此本系統(tǒng)至少需要3個(gè)不在同一直線(xiàn)上的測(cè)量點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控機(jī)程序功能主要是通過(guò)串口向測(cè)量點(diǎn)的單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)包，控制單片機(jī)完成測(cè)量功能。測(cè)量完成后，再通過(guò)串口接收回傳數(shù)據(jù)。在主控機(jī)內(nèi)部完成計(jì)算，最終完成測(cè)量結(jié)果顯示。

本系統(tǒng)設(shè)定用RS—422接口完成計(jì)算機(jī)與測(cè)量點(diǎn)中單片機(jī)之間的通訊。首先，由計(jì)算機(jī)發(fā)送無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。同時(shí)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)被跟蹤的物體接收到無(wú)線(xiàn)電信號(hào)后，確認(rèn)ID，與自身工D匹配后，由信號(hào)控制部分控制超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)1接收到超聲波后停止計(jì)時(shí)，由信號(hào)處理部分把時(shí)間，室內(nèi)溫度等參數(shù)傳回給主控計(jì)算機(jī)，用于數(shù)據(jù)處理，最終在計(jì)算機(jī)上顯示。相關(guān)數(shù)據(jù)傳送完畢后，控制點(diǎn)2開(kāi)始如上過(guò)程。依次類(lèi)退，直至所需控制點(diǎn)3完成數(shù)據(jù)傳送。再?gòu)目刂泣c(diǎn)1開(kāi)始下一次測(cè)量。

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