基于無線同步的聲波測距系統(tǒng)設計

任憲潔 潘紹明 柯寶中

摘 要： 介紹一種主要為室內(nèi)定位提供測距基礎的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個對等的節(jié)點組成，節(jié)點1發(fā)送通過無線發(fā)出的同步握手信號，節(jié)點2收到同步信號后開始計時并回應握手信號，節(jié)點1確認握手成功后開始發(fā)送聲波脈沖信號，節(jié)點2收到脈沖信號后停止計時，定時器的時間就是聲波在空氣中的傳播時間，進而確定點和點之間的距離。節(jié)點主要是由聲波發(fā)射接收電路、CC1100無線電模塊和STC12C5A0S2單片機等組成。STC12C5A0S2內(nèi)部帶有捕獲定時器的功能，能準確地抓住定時器的值。聲波發(fā)射接收電路主要由NE555，LM386和NE5532構成，能高頻喇叭發(fā)送和接收10.25 kHz聲波信號。系統(tǒng)在測試的過程中，隨著距離的增大，誤差會有所加大，在10 m范圍內(nèi)誤差小于10%，可以滿足定位測距的需求。在實際的應用過程中還可以通過系統(tǒng)標定等數(shù)據(jù)處理手段，進一步提高測量精度，滿足更高的測距要求。

關鍵詞： 無線同步； 聲波測距； 定位； 節(jié)點； STC12C5A0S2； 誤差

中圖分類號： TN98?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0049?04

Abstract： A range finding system is introduced for indoor location， which is composed of two peer?to?peer nodes. Node 1 sends the synchronous handshake signal through wireless， and node 2 receives the synchronous signal for timing and handshake signal response. Node 1 sends the acoustic pulse signal after the determination of success handshake， and node 2 stops timing after receiving the pulse signal. The time of the timer acts as the propagation tome of acoustic wave in the air， so as to determine the distance between the points. The nodes are mainly composed of acoustic transceiving circuit， CC1100 radio module and STC12C5A0S2 microcontroller. STC12C5A0S2 can accurately capture the value of the timer because its capture timer function. The acoustic transceiving circuit is mainly composed of NE555， LM386 and NE5532， which can transmit and receive the 10.25 kHz acoustic signals through high?frequency horn. In the process of system testing， the error is increased with the increasement of distance， which is less than 10% within 10 meters， and can meet the demand of range finding of location. In the actual application process， the data processing method such as system calibration can be used to further improve the measurement precision and meet the higher range finding requirement.

Keywords： wireless synchronization； acoustic range finding； location； node； STC12C5A0S2； error

0 引 言

室內(nèi)定位技術[1]已經(jīng)成為當前研究的熱點，而室內(nèi)定位的基礎是點對點測距，直接影響到定位精度。目前，測距的方法有很多，測量精度也很高。比如，反射式聲波測距精度很高，但是不能很好地應用到室內(nèi)定位中。為此研究無線同步聲波測距[2?6]，不僅可以實現(xiàn)點對點測距，還可以實現(xiàn)點對多測距，為解決室內(nèi)定位精度提供測距基礎。聲波是聲音的傳播形式，由物體（聲源）振動產(chǎn)生。人耳可以聽到的聲波的頻率一般在20～20 000 Hz之間[7]。由于聲波在空氣中的傳輸速度相比無線電傳播速度要慢的多，因此，可以在兩點之間采用無線電作為同步時鐘，一個點激發(fā)聲波信號發(fā)出，另一個點負責接收聲波信號[8]，通過測量聲波在空氣中的傳播時間，就可以確定點和點之間的距離，兩點之間的角色是對等的。

1 系統(tǒng)結構

本文系統(tǒng)設計框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由聲波發(fā)射接收電路、無線電模塊和STC12C5A0S2單片機組成。

節(jié)點1單片機控制聲波脈沖輸出的同時，通過無線電模塊發(fā)射同步信號給節(jié)點2，節(jié)點2收到同步信號后開始啟動定時器，當接收到聲波脈沖信號后停止定時器，利用STC12C5A0S2內(nèi)部定時器捕獲功能可以捕捉到精確的定時器值[t]。

利用公式[d=v0t]就可以計算出節(jié)點1和節(jié)點2之間的距離；[v0]為聲波在介質中傳播的速率[9]，則[v0]（單位：m/s）可表示為：

2 硬件電路

2.1 音頻發(fā)射電路

音頻發(fā)射電路如圖2所示。音頻發(fā)射電路主要由一個NE555時基芯片和音頻放大器組成。為了使NE555產(chǎn)生頻率約為10.25 kHz的方波，利用555的頻率計算公式：

2.2 聲波檢測電路

聲音檢測電路如圖3所示。聲波檢測電路由2塊5532共4個運放構成，由于MIC本身對頻率大于15 kHz的信號不敏感，所以可以省去低通濾波器，只要一個高通濾波器便可以了。

首先將從MIC上獲取的聲音信號經(jīng)過放大器（對應于圖3中U1的第一個運放）放大約210倍（[≈R4R3]，[R3]為可調(diào)電阻）后進入濾波器，濾波器由另一塊5532（U2）構成，最終輸出頻段處于8～15 kHz間的頻率，最后進入U1的另一個運放構成的比較器就可以在U1的6腳輸出高低電平。處理器在無線信號的同步下啟動定時器，接收到這個高低電平的變化時捕獲定時器的值，利用定時器的值就可以計算兩點直接距離。

2.3 無線同步電路

如圖4所示，無線同步[9]電路采用STC單片機SPI控制無線模塊CC1100。CC1100采用FSK的方式調(diào)制，支持OOK/ASK/MSK調(diào)制，載波頻率為433 MHz，接收靈敏度高，可靠傳輸距離可達350 m，可以滿足系統(tǒng)的時鐘同步要求。

3 測距流程

聲波發(fā)射接收流程如圖5所示。兩個節(jié)點先通過無線同步開始握手信號，節(jié)點1發(fā)送聲波信號，節(jié)點2開始啟動定時器計時，等待聲波信號的到來，當檢測到聲波到達時，停止計時，向節(jié)點1反饋定時器信息，同時計算兩點之間的距離。節(jié)點2在等待的過程采用超時等待的方式進行，若超時則重新回到同步信號的接收。

4 測量結果與誤差分析

表1為測試得到的一組數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，總體測量值比實際值偏小，誤差時大時小，對不同的距離，誤差有所不同，但是總體誤差會隨著距離的增大而增大，測量點的誤差曲線如圖6所示。這是由于本文系統(tǒng)采用高音喇叭作為聲波的發(fā)送和接收造成的，屬于系統(tǒng)誤差，可以通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理進行修正，使系統(tǒng)誤差變得更小。

實驗驗證了無線同步聲波測距的可行性，但是還需要對硬件和軟件進行優(yōu)化，進一步提高測量精度和測量距離，以滿足后續(xù)不同的測距需求。

5 結 語

本文設計的無線同步聲波測距系統(tǒng)雖然比回彈式聲波測距差，但是可以點對點、點對多地進行通信，為當前熱門的室內(nèi)定位研究提供測距基礎，在短距離室內(nèi)定位研究中有著重要的理論意義和應用價值，在聲學通信實踐中也具有一定的參考價值。

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