基于超声波的定位系统研究与实现.docx

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1、基于超声波的定位系统研究与实现dujing导语：超声波定位系统可用于一定范围的无接触定位，定位精度可达1cm。由于超声波的传播受环境影响较大，故不推荐在室外使用。传感器技术、微机电系统、当代网络和无线电通讯等技术的进步，推动了无线传感器网络的产生和开展。无线传感器网络具有广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市治理、生物医疗、环境定位、抢险救灾、危险区域远程控制等众多领域。超声波定位的原理与无线电定位系统相仿，只是由于超声波在空气中的衰减较大，只适用于较小的范围。超声波在空气中的传播间隔一般只有几十米。短间隔的超声波测距系统已经在实际中应用，测距精度为厘米级。超声波定位系统可用于无人

2、车间等场所中的挪动物体定位。1超声检测原理1.1回波信号超声检测信号分析系统的原理是通过超声检测仪和信号采样装置及计算机的互相协调，实现超声检测电信号的模数转换，并完成检测数据的存储，计算机根据己量化的回波信号数据，利用有关理论及技术作相应处理。超声检测是一种物理手段，利用超声波的性质来判定目的的间隔。是根据超声波在检测区域内运动时碰到界面反射所呈现的特征来判定物体位置状况的无损检测方法。超声波检测中常用技术是把超声波短脉冲发送至被测物体，当声波自物体的非连续性构造或者边界返回时，获取其回波波形。当波触及物体前壁面时，有几个振荡周期的窄带随机波产生，称为始波，与此同时，还有一局部超声波渗入被测

3、物体，触及物体的后壁面，又可得到振荡的回波，称为底波。利用始底波之间的时间间隔与己知的声波在物体中的速度，便可算出物体的间隔。同样，当声波触及被测物体内的气孔、杂质等非连续性目的位置时，也会产生回波，据此得出目的位置的信息，如目的位置在检测区域内的大致位置性质等。1.2模型的建立超声波检测中所处理的是振荡波，具有窄带随机信号的特性。传统的超声波检测设备采取硬件检波的方法提取回波包络，检测精度和主峰位置的准确定位都无法保证。由于目的回波位置直接决定了测量精度，尤其对运动目的，怎样准确测定出回波位置是技术的关键所在。本文介绍的信号收集系统包括传感器信号收集设计及传感器与MOTE之间信息传递的硬件设

4、计与构造。超声波传感器的特点是其方向性好且可以到达厘米级定位精度，在一些要求较高的定位系统如DPEG及Crickets都是采用基于超声波传感器的测距方式。超声波传感器的工作原理是：信号时间在零时刻发出一束声波，假设传感器在经过期间t后接收到返回的超声波，根据公式s=vt，取值v为34000cms，实际中的超声波发射时间单位是毫秒mm，换算后为10-6s，那么img=340,18image.mcuol/News/080916145554910.jpg/img根据此公式可求得间隔值s，其中值与传感器的定时器有关，是一个与硬件设备关系亲密的采样值。在系统中，假设超声波传感器的定时器为16位，那么21

5、6=65536，6553658=1129，即可以定位的范围在11H左右。我们在实际中发现收集到的数据与实际的间隔还存在一个线性关系，利用16位的定时器可以探测的间隔仅在1.46m之内，这对于目的定位系统是灾难性的限制。对此采用降低时间精度来进步超声波的工作范围，把时间精度降低为原来的13，那么实际的探测范围相应进步到原来的3倍，到达4.8m。经过实际检验，证实该设计可以实现且有良好准确的测距效果。2系统的组成系统由超声波传感器、节点网关、无线网络、笔记本和线遥控玩具小汽车组成。如图1所示。无线传感器网络的数据通过网关传人计算机，效劳程序解析数据内容并进展处理，一局部内容于事件归类后存入数据阵，

6、用作分析查询。另一局部内容仅用于不同传感器之间的数据融和，即不同传感器的自身位置信皂在进展通讯控制之后，由传感器节点将其丢弃，由于传感器节点的存储空间和能量有限，大量的数据存储不仅会浪费空间，而且会消耗电池。数据库根据需要可以选择数据进展位置估算，然后再对风向、障碍物、地面上下起伏等影响因素进展参数修正，确定目的在检测区域内的位置信息。后台系统通过无线网关与无线传感器实现联络。另外这些消息需通知负责用户界面局部的程序模块，以可视化的力式显示定位到的内容。超声波定位系统在详细实现上与无线电定位有所不同。不同发射点的无线电信号可以用不同的频率来区分，而超声波系统难以做到，因此必须有一种可以把各个发

7、射点的超声波信号区分开来的方法。我们采用带地址编码的无线电触发电路分别触发各个发射点。以发射点固定、主体接收的超声波定位系统为例。主体局部由微处理机电路、超声波接收电路和无线电编码触发电路组成；发射点局部由超声波发射电路和无线电编码接收电路组成。系统的工作经过首先由微处理机选定要触发的发射点地址，启动发射电路并开场计时，在给定时间内假如接收到信号那么由延迟时间计算出主体到发射点的间隔。与超声波相比，无线电波的传输时间可忽略不计；假如在给定时间内没有接收到信号，那么以为主体到发射点的间隔已超过可接收间隔。当接收到足够的发射点信号后，可由主体到各个发射点的间隔计算出主体的位置坐标。由于超声波在空气

8、中的传播速度随着环境条件的不同而变化，为了进步测量精度，还需要对测量结果进展校正。MICA2与超声波传感器通过个51阵的接口相连接，超声波传感器电源通过外接电池组实现供电。MICA2的数据处理单元采甩Atmel公司的Atmega128L微控制器，它采用低功耗CMOST工艺消费的基于RISC构造的8位微控制器，是目前AVR系列中功能最强大的单片机。AVR核将32个工作存放器和指令集联结在起，所有的工作存放器都与ALU直接相连，实如今个时钟周期内执行单条指令的同时访问两个独立存放器的操纵，这种构造进步了代码效率，在性能上比普通单片机进步约10倍。Atmega128L具有丰富的资源和较低功耗。片内有

9、128KB的程序Flash、4KB的数据SRAM、可外扩到64KB的E2PROM。此外，还有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时计数器，并可在多种不同的形式下工作；8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比拟器UART、SPI、I2C总线接口；JTAG接口除了正常操纵形式外，还具有6种不同等级的低功耗操纵形式，每种形式具有不同的功耗。MICA2的数据传输单元模块由Chipson公司消费的低功耗、短间隔的符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件的无线通讯模块CC2420组成。节点的MAC层和PHY层协议符合802.15.4标准，MAC层采用的是基于ESMA-

10、CA的机制，该芯片只需极少外部元器件，可确保短间隔通讯的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达250kbits，可以实现多点对多点的快速组网，系统体积小、本钱低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、平安可靠、组网灵敏、抗毁性强等特点。3软件系统的设计软件系统将设计的目的定位系统布置在实际的物理硬件上并进展相关实验研究。应用系统的软件流程见图2所示。在初始阶段，所有节点处于工作状态，通过节点分组组件选择值班节点监控覆盖区域；当值班节点定位到事件后，唤醒相邻节点收集数据，节点将采集的数据会聚至头节点，头节点进展初步处理以减少错误数据向网关传送所引起的路由拥塞；网关将从底层接收到的数

11、据传送到具有较强处理才能的基站进而估算出发惹事件的大致位置。4通讯控制构造在网络节点的通讯经过中，节点在无工作任务时的空闲侦听消耗了相当珍贵的能量资源；同时无线信号在转发经过中存在丢包、串音、部分消息聚集而引起的拥塞等，在网络通讯控制构造设计中必须考虑这些问题。为进步系统的扩大性和适应性，采用构建包括节点分组、能量治理、路由选择、时间同步以及定位估计等多个系统组件，方便对系统的进一步修改和进步。与目前Internet网络的层构造相比，无线传感器网络系统在实际中一般分为物理层、无线链路层、路由层和应用层，层与层之间通过接口传递消息。目前传输层并没有被传感器网络所采用，主要是由于传统的消息确认会造

12、成无线传感器网络能量宏大损耗，而传感器网络数据传输量宏大，对少量丧失的数据并不敏感，所以传输层在无线传感器网络中的重要性并不大。无线传感器网络中节点能量有限、数据传输率低、可靠性和平安性较差。而且在系统运行期间节点可能随时会迁入、移出或者由于能量耗尽而失效、位置挪动等，由此引起网络拓扑构造和通讯链路控制构造变化。为了尽量延长无线传感器网络的生存期，网络通讯控制构造应尽量知足以下条件：当系统处于空闲监听状态时，留下少数节点维持根本链路而使其他节点进入休眠；由于节点的可靠性相对较差，需要保证骨干链路的冗余度；大量节点发送的数据对整个网络来讲是一项繁重的任务，有效运用数据交融、分布式处理等技术可减少

13、冗余数据并降低无线通讯的次数；进步扩展性和鲁棒性，适应节点迁入、移出或者失效等各种变化。在应用中，无线传感器网络节点的能量消耗与其在通讯经过中采用的方式有亲密关系。在实际环境中，通过对设定的网络覆盖区域的连续定位，发现其事件准确预测率在网络覆盖范围内的发现率很高，事件误报率很低，这意味着在实际中固然节点的正确数据被发送，但同时可能在下一个时刻发送的数据是错误的，这也从侧面讲明了采取一定措施限制误报率的必要性。对于目的定位系统而言，实时性是其关注的另外个要点，假如系统不能及时将网络系统的处理结果反应，再完美的计算结果也无意义。从理论上讲，系统的延时是决定性的因素。5完毕语超声波定位系统可用于一定范围的无接触定位，定位精度可达1cm。由于超声波的传播受环境影响较大，故不推荐在室外使用。在实际应用中根据环境和详细要求其应用电路可作适当改良。例如可以将编码信号直接参加到超声波信号中，这样的系统可直接用于对象的识别。为了增加接收灵敏度，还可以采用类似雷达天线的反射装置。本文对回波信号进展处理，消减了噪声的影响，较好地完成了超声信号处理的初期工作。建立的超声回波信号处理数学模型易于实现；目的定位精度高，防止了传统的模拟检测器误差大的缺点，为危险性目的位置的精度定位提供了借鉴作用。0