基于超聲波的定位系統(tǒng)設計

　傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡和無線電通信等技術(shù)的進步，推動了無線傳感器網(wǎng)絡的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡具有廣闊的應用前景，能應用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境定位、搶險救災、危險區(qū)域遠程控制等諸多領域。

　　超聲波定位的原理與無線電定位系統(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。短距離的超聲波測距系統(tǒng)已經(jīng)在實際中應用，測距精度為厘米級。超聲波定位系統(tǒng)可用于無人車間等場所中的移動物體定位。

　　1 超聲檢測原理

　　1.1 回波信號

　　超聲檢測信號分析系統(tǒng)的原理是通過超聲檢測儀和信號采樣裝置及計算機的相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)超聲檢測電信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并完成檢測數(shù)據(jù)的存儲，計算機根據(jù)己量化的回波信號數(shù)據(jù)，利用有關(guān)理論及技術(shù)作相應處理。超聲檢測是一種物理手段，利用超聲波的性質(zhì)來判斷目標的距離。是根據(jù)超聲波在檢測區(qū)域內(nèi)運動時遇到界面反射所呈現(xiàn)的特征來判斷物體位置狀況的無損檢測方法。

　　超聲波檢測中常用技術(shù)是把超聲波短脈沖發(fā)送至被測物體，當聲波自物體的非連續(xù)性結(jié)構(gòu)或邊界返回時，獲取其回波波形。當波觸及物體前壁面時，有幾個振蕩周期的窄帶隨機波產(chǎn)生，稱為始波，與此同時，還有一部分超聲波滲入被測物體，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，當聲波觸及被測物體內(nèi)的氣孔、雜質(zhì)等非連續(xù)性目標位置時，也會產(chǎn)生回波，據(jù)此得出目標位置的信息，如目標位置在檢測區(qū)域內(nèi)的大致位置性質(zhì)等。

　　1.2 模型的建立

　　超聲波檢測中所處理的是振蕩波，具有窄帶隨機信號的特性。傳統(tǒng)的超聲波檢測設備采取硬件檢波的方法提取回波包絡，檢測精度和主峰位置的精確定位都無法保證。由于目標回波位置直接決定了測量精度，尤其對運動目標，如何精確測定出回波位置是技術(shù)的關(guān)鍵所在。本文介紹的信號采集系統(tǒng)包括傳感器信號采集設計及傳感器與MOTE之間信息傳遞的硬件設計與構(gòu)造。超聲波傳感器的特點是其方向性好且可以達到厘米級定位精度，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距方式。

　　超聲波傳感器的工作原理是：信號時間在零時刻發(fā)出一束聲波，假設傳感器在經(jīng)過時間t后接收到返回的超聲波，根據(jù)公式s=vt，取值v為34000cm/s，實際中的超聲波發(fā)射時間單位是毫秒(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器有關(guān)，是一個與硬件設備關(guān)系密切的采樣值。在系統(tǒng)中，假設超聲波傳感器的定時器為16位，則 216=65536，65536/58=1129，即能夠定位的范圍在11H左右。我們在實際中發(fā)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)與實際的距離還存在一個線性關(guān)系，利用 16位的定時器能夠探測的距離僅在1.46m之內(nèi)，這對于目標定位系統(tǒng)是災難性的限制。對此采用降低時間精度來提高超聲波的工作范圍，把時間精度降低為原來的1/3，則實際的探測范圍相應提高到原來的3倍，達到4.8m。經(jīng)過實際檢驗，證明該設計可以實現(xiàn)且有良好準確的測距效果。

　　2 系統(tǒng)的組成

　　系統(tǒng)由超聲波傳感器、節(jié)點網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)絡、筆記本和線遙控玩具小汽車組成。如圖1所示。

無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳人計算機，服務程序解析數(shù)據(jù)內(nèi)容并進行處理，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行通信控制之后，由傳感器節(jié)點將其丟棄，因為傳感器節(jié)點的存儲空間和能量有限，大量的數(shù)據(jù)存儲不僅會浪費空間，而且會耗費電池。數(shù)據(jù)庫根據(jù)需要可以選擇數(shù)據(jù)進行位置估算，然后再對風向、障礙物、地面高低起伏等影響因素進行參數(shù)修正，確定目標在檢測區(qū)域內(nèi)的位置信息。后臺系統(tǒng)通過無線網(wǎng)關(guān)與無線傳感器實現(xiàn)聯(lián)絡。另外這些消息需通知負責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)在具體實現(xiàn)上與無線電定位有所不同。不同發(fā)射點的無線電信號可以用不同的頻率來區(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發(fā)射點的超聲波信號區(qū)分開來的方法。我們采用帶地址編碼的無線電觸發(fā)電路分別觸發(fā)各個發(fā)射點。

　　以發(fā)射點固定、主體接收的超聲波定位系統(tǒng)為例。主體部分由微處理機電路、超聲波接收電路和無線電編碼觸發(fā)電路組成;發(fā)射點部分由超聲波發(fā)射電路和無線電編碼接收電路組成。系統(tǒng)的工作過程首先由微處理機選定要觸發(fā)的發(fā)射點地址，啟動發(fā)射電路并開始計時，在給定時間內(nèi)如果接收到信號則由延遲時間計算出主體到發(fā)射點的距離。與超聲波相比，無線電波的傳輸時間可忽略不計;如果在給定時間內(nèi)沒有接收到信號，則認為主體到發(fā)射點的距離已超過可接收距離。當接收到足夠的發(fā)射點信號后，可由主體到各個發(fā)射點的距離計算出主體的位置坐標。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，為了提高測量精度，還需要對測量結(jié)果進行校正。

　　MICA2與超聲波傳感器通過—個51陣的接口相連接，超聲波傳感器電源通過外接電池組實現(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系列中功能最強大的單片機。AVR核將32個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，實現(xiàn)在 —個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行單條指令的同時訪問兩個獨立寄存器的操作，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、可外擴到64KB的E2PROM。此外，還有8個10位ADC通道、2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作;8個PWM通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、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)器件的無線通信模塊CC2420組成。節(jié)點的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)傳輸單元模塊支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbit/s，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)，系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點。

　　3 軟件系統(tǒng)的設計

　　軟件系統(tǒng)將設計的目標定位系統(tǒng)布置在實際的物理硬件上并進行相關(guān)實驗研究。應用系統(tǒng)的軟件流程見圖2所示。

　　在初始階段，所有節(jié)點處于工作狀態(tài)，通過節(jié)點分組組件選擇值班節(jié)點監(jiān)控覆蓋區(qū)域;當值班節(jié)點定位到事件后，喚醒相鄰節(jié)點采集數(shù)據(jù)，節(jié)點將收集的數(shù)據(jù)匯聚至頭節(jié)點，頭節(jié)點進行初步處理以減少錯誤數(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)絡節(jié)點的通訊過程中，節(jié)點在無工作任務時的空閑偵聽耗費了相當寶貴的能量資源;同時無線信號在轉(zhuǎn)發(fā)過程中存在丟包、串音、局部消息匯集而引起的擁塞等，在網(wǎng)絡通訊控制結(jié)構(gòu)設計中必須考慮這些問題。為提高系統(tǒng)的擴充性和適應性，采用構(gòu)建包括節(jié)點分組、能量管理、路由選擇、時間同步以及定位估計等多個系統(tǒng)組件，方便對系統(tǒng)的進一步修改和提高。

　　與目前Internet網(wǎng)絡的層結(jié)構(gòu)相比，無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)在實際中一般分為物理層、無線鏈路層、路由層和應用層，層與層之間通過接口傳遞消息。目前傳輸層并沒有被傳感器網(wǎng)絡所采用，主要是因為傳統(tǒng)的消息確認會造成無線傳感器網(wǎng)絡能量巨大損耗，而傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸量巨大，對少量丟失的數(shù)據(jù)并不敏感，所以傳輸層在無線傳感器網(wǎng)絡中的重要性并不大。

　　無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點能量有限、數(shù)據(jù)傳輸率低、可靠性和安全性較差。而且在系統(tǒng)運行期間節(jié)點可能隨時會遷入、移出或因為能量耗盡而失效、位置移動等，由此引起網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和通訊鏈路控制結(jié)構(gòu)變化。為了盡量延長無線傳感器網(wǎng)絡的生存期，網(wǎng)絡通訊控制結(jié)構(gòu)應盡量滿足以下條件：當系統(tǒng)處于空閑監(jiān)聽狀態(tài)時，留下少數(shù)節(jié)點維持基本鏈路而使其他節(jié)點進入休眠;因為節(jié)點的可靠性相對較差，需要保證骨干鏈路的冗余度;大量節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)對整個網(wǎng)絡來說是一項繁重的任務，有效運用數(shù)據(jù)融合、分布式處理等技術(shù)可減少冗余數(shù)據(jù)并降低無線通訊的次數(shù);提高擴展性和魯棒性，適應節(jié)點遷入、移出或失效等各種變化。在應用中，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能量消耗與其在通訊過程中采用的方式有密切關(guān)系。

　　在實際環(huán)境中，通過對設定的網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域的連續(xù)定位，發(fā)現(xiàn)其事件準確預測率在網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的發(fā)現(xiàn)率很高，事件誤報率很低，這意味著在實際中雖然節(jié)點的正確數(shù)據(jù)被發(fā)送，但同時可能在下一個時刻發(fā)送的數(shù)據(jù)是錯誤的，這也從側(cè)面說明了采取一定措施限制誤報率的必要性。

　　對于目標定位系統(tǒng)而言，實時性是其關(guān)注的另外—個要點，如果系統(tǒng)不能及時將網(wǎng)絡系統(tǒng)的處理結(jié)果反饋，再完美的計算結(jié)果也無意義。從理論上說，系統(tǒng)的延時是決定性的因素。

　　5 結(jié)束語

　　超聲波定位系統(tǒng)可用于一定范圍的無接觸定位，定位精度可達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。在實際應用中根據(jù)環(huán)境和具體要求其應用電路可作適當改進。例如可以將編碼信號直接加入到超聲波信號中，這樣的系統(tǒng)可直接用于對象的識別。為了增加接收靈敏度，還可以采用類似雷達天線的反射裝置。本文對回波信號進行處理，消減了噪聲的影響，較好地完成了超聲信號處理的初期工作。建立的超聲回波信號處理數(shù)學模型易于實現(xiàn);目標定位精度高，避免了傳統(tǒng)的模擬檢測器誤差大的缺點，為危險性目標位置的精度定位提供了借鑒作用。