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(wú)線電通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無(wú)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(guó)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(wú)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(wú)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(guò)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(lái)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(lái)判斷物體位置狀況的無(wú)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(wú)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(guò)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(lái)提高超聲波的工作范圍，把時(shí)間精度降低為原來(lái)的1／3，則實(shí)際的探測(cè)范圍相應(yīng)提高到原來(lái)的3倍，達(dá)到4.8m。經(jīng)過(guò)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通過(guò)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(kù)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(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)與無(wú)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(wú)線電定位有所不同。不同發(fā)射點(diǎn)的無(wú)線電信號(hào)可以用不同的頻率來(lái)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(kāi)來(lái)的方法。我們采用帶地址編碼的無(wú)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(wú)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(wú)線電編碼接收電路組成。系統(tǒng)的工作過(guò)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(kāi)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(wú)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(méi)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(guò)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(guò)—個(gè)51陣的接口相連接，超聲波傳感器電源通過(guò)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(wèn)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(wú)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(zhǎng)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)。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)將設(shè)計(jì)的目標(biāo)定位系統(tǒng)布置在實(shí)際的物理硬件上并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。應(yīng)用系統(tǒng)的軟件流程見(jiàn)圖2所示。

在初始階段，所有節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)分組組件選擇值班節(jié)點(diǎn)監(jiān)控覆蓋區(qū)域；當(dāng)值班節(jié)點(diǎn)定位到事件后，喚醒相鄰節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)將收集的數(shù)據(jù)匯聚至頭節(jié)點(diǎn)，頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步處理以減少錯(cuò)誤數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)傳送所引起的路由擁塞；網(wǎng)關(guān)將從底層接收到的數(shù)據(jù)傳送到具有較強(qiáng)處理能力的基站從而估算出發(fā)生事件的大致位置。

4 通訊控制結(jié)構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通訊過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)在無(wú)工作任務(wù)時(shí)的空閑偵聽(tīng)耗費(fèi)了相當(dāng)寶貴的能量資源；同時(shí)無(wú)線信號(hào)在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中存在丟包、串音、局部消息匯集而引起的擁塞等，在網(wǎng)絡(luò)通訊控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮這些問(wèn)題。為提高系統(tǒng)的擴(kuò)充性和適應(yīng)性，采用構(gòu)建包括節(jié)點(diǎn)分組、能量管理、路由選擇、時(shí)間同步以及定位估計(jì)等多個(gè)系統(tǒng)組件，方便對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步修改和提高。

與目前Internet網(wǎng)絡(luò)的層結(jié)構(gòu)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在實(shí)際中一般分為物理層、無(wú)線鏈路層、路由層和應(yīng)用層，層與層之間通過(guò)接口傳遞消息。目前傳輸層并沒(méi)有被傳感器網(wǎng)絡(luò)所采用，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的消息確認(rèn)會(huì)造成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量巨大損耗，而傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量巨大，對(duì)少量丟失的數(shù)據(jù)并不敏感，所以傳輸層在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要性并不大。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量有限、數(shù)據(jù)傳輸率低、可靠性和安全性較差。而且在系統(tǒng)運(yùn)行期間節(jié)點(diǎn)可能隨時(shí)會(huì)遷入、移出或因?yàn)槟芰亢谋M而失效、位置移動(dòng)等，由此引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通訊鏈路控制結(jié)構(gòu)變化。為了盡量延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存期，網(wǎng)絡(luò)通訊控制結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量滿足以下條件：當(dāng)系統(tǒng)處于空閑監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)時(shí)，留下少數(shù)節(jié)點(diǎn)維持基本鏈路而使其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠；因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的可靠性相對(duì)較差，需要保證骨干鏈路的冗余度；大量節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)繁重的任務(wù)，有效運(yùn)用數(shù)據(jù)融合、分布式處理等技術(shù)可減少冗余數(shù)據(jù)并降低無(wú)線通訊的次數(shù)；提高擴(kuò)展性和魯棒性，適應(yīng)節(jié)點(diǎn)遷入、移出或失效等各種變化。在應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗與其在通訊過(guò)程中采用的方式有密切關(guān)系。

在實(shí)際環(huán)境中，通過(guò)對(duì)設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的連續(xù)定位，發(fā)現(xiàn)其事件準(zhǔn)確預(yù)測(cè)率在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的發(fā)現(xiàn)率很高，事件誤報(bào)率很低，這意味著在實(shí)際中雖然節(jié)點(diǎn)的正確數(shù)據(jù)被發(fā)送，但同時(shí)可能在下一個(gè)時(shí)刻發(fā)送的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，這也從側(cè)面說(shuō)明了采取一定措施限制誤報(bào)率的必要性。

對(duì)于目標(biāo)定位系統(tǒng)而言，實(shí)時(shí)性是其關(guān)注的另外—個(gè)要點(diǎn)，如果系統(tǒng)不能及時(shí)將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的處理結(jié)果反饋，再完美的計(jì)算結(jié)果也無(wú)意義。從理論上說(shuō)，系統(tǒng)的延時(shí)是決定性的因素。

5 結(jié)束語(yǔ)

超聲波定位系統(tǒng)可用于一定范圍的無(wú)接觸定位，定位精度可達(dá)1cm。由于超聲波的傳播受環(huán)境影響較大，故不推薦在室外使用。在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)環(huán)境和具體要求其應(yīng)用電路可作適當(dāng)改進(jìn)。例如可以將編碼信號(hào)直接加入到超聲波信號(hào)中，這樣的系統(tǒng)可直接用于對(duì)象的識(shí)別。為了增加接收靈敏度，還可以采用類似雷達(dá)天線的反射裝置。本文對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，消減了噪聲的影響，較好地完成了超聲信號(hào)處理的初期工作。建立的超聲回波信號(hào)處理數(shù)學(xué)模型易于實(shí)現(xiàn)；目標(biāo)定位精度高，避免了傳統(tǒng)的模擬檢測(cè)器誤差大的缺點(diǎn)，為危險(xiǎn)性目標(biāo)位置的精度定位提供了借鑒作用。