基于超聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計

張燕 沈洲

摘要：該文設(shè)計了一款可以在小范圍環(huán)境下，通過信標進行相對定位的系統(tǒng)。使用NRF24101搭建無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)未知節(jié)點與信標節(jié)點的數(shù)據(jù)通信；使用超聲傳感器獲取未知節(jié)點與信標節(jié)點的距離。本論文使用TOA方式獲取距離信息，在獲取距離信息后，使用三點定位算法計算出未知節(jié)點的坐標信息。通過實際運行結(jié)果說明其正確性。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；TOA；定位系統(tǒng)；NRF24L01

中圖分類號：TP751.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0029-04

1996年，美國加州大學洛杉磯分校大學提出“低功耗無線集成微傳感器”開創(chuàng)了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)前奏。在這之后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到了來自社會各界的關(guān)注，成為在國家防御、目標定位、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、智能農(nóng)業(yè)、大型停車場管理和機場安檢等眾多領(lǐng)域中具有較強競爭力的應用性技術(shù)之一。由于超聲室內(nèi)定位技術(shù)的應用前景和工程需求，國內(nèi)外許多機構(gòu)都開展了這個方向的研究并取得了一定的成果。其中代表性的研究成果有：1）美國InterSense公司設(shè)計的Constel-lation系統(tǒng)。其發(fā)射器放在固定的位置上，定位目標上有一個3D慣性傳感儀器和許多超聲接收器。發(fā)射器依次被相對應的接收器的同步觸發(fā)信號激發(fā)出超聲脈沖信號，接收器計算出脈沖的時間并轉(zhuǎn)換成距離信息。2）劍橋AT&T;實驗室開發(fā)的ActiveBAT系統(tǒng)。它是采用超聲波傳輸?shù)膶嵺`延遲技術(shù)來定位的。3）MIT計算機科學和人工智能實驗室研究的Cricket系統(tǒng)。它是由超聲發(fā)射器和定位目標的嵌入接收器組成，通過三角測量計算來實現(xiàn)定位的。4）東京大學設(shè)計的Dolphin系統(tǒng)。它的原理和ActiveBat、Cricket是相似的。不同在于大范圍定位時，Dolphin系統(tǒng)只要少量的超聲發(fā)射器和接收器，然后依據(jù)一種遞歸算法來實現(xiàn)依次定位，降低了構(gòu)造和操作的成本。5）英國劍橋大學通信工程實驗室開發(fā)的寬帶超聲波定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)提出一種利用寬帶傳感器的新型超聲定位系統(tǒng)，具有寬頻通帶寬度。

本論文研究了基于無線網(wǎng)絡(luò)的超聲傳感器定位系統(tǒng)。

1系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)

超聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)整體硬件設(shè)計框架如圖1所示，分為主機和從機兩個部分，其中有1個主機，3個從機。主機與從機之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。主機與從機都是由作為MCU的LPCI768、超聲模塊hc_sr04、和無線傳輸模塊NRF24101組成。其中無線傳輸模塊NRF24101是搭建主機與從機之間的無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；超聲模塊hc_sr04是通過超聲測距原理測量主機與從機之間的距離。由于主機、從機中都使用到超聲模塊和無線傳輸模塊，因此對此分別進行介紹。

2 hc_sr04測量距離部分設(shè)計

hc_sr04一共有四個接口端。VCC接入5V電源，GND接地線，TRIG輸入觸發(fā)控制信號，ECHO輸出回響信號。

由于hc_sr04的TRIG輸入端口和ECHO輸出端口傳輸?shù)亩际荰TL信號，因此，hc_sr04與LPCI768之間通過10口就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。如圖2所示，可以設(shè)置LPC1768上的P2.4和P2.6端口分別為TIRG和ECHO的連接口。其中LPCI768的P2.4端口輸出TRIG觸發(fā)信號，連接he_st04的TRIG輸入端口；LPCI768的P2.6端口輸入ECHO回響信號，連接hc_sr04的輸出端口。函數(shù)hc_sr04_init（）實現(xiàn)對這兩個IO口的初始化。

圖3為超聲模塊的時序圖。從圖中可以看出當觸發(fā)端TIRG發(fā)出一個10us的TTL高電平時，模塊的內(nèi)部會自動發(fā)送一個8個40Khz的超聲脈沖并檢測回響信號。一旦檢測到回響信號，ECHO將輸出回響信號，回響信號電平輸出的寬度與檢測距離成正比，且高電平持續(xù)時間就為超聲信號發(fā)送到接收的時間。因為本課題所應用的是兩個超聲模塊進行一個發(fā)送，一個接收的功能，所以測量的距離=時間*聲速。

圖4是hc_sr04數(shù)據(jù)獲取的流程圖。程序開始后，首先對所用到的LPC1768的管腳進行初始化，然后給TRIG端一個持續(xù)10us的高電平，因為聲音的速度約為340m/s，當測量距離為6m時（本設(shè)計采用兩個超聲模塊進行一個發(fā)超聲信號，一個接收超聲信號進行測距的，單個模塊的測量距離為3m，理論上的測量距離可以達到6m），聲波往返的時間約為6m/（340m/s）=20us，所以等待20us后，ECHO端接收數(shù)據(jù)。此時所接收的數(shù)據(jù)為超聲波從發(fā)送到接收到回響信號的時間。因此，此時速測的距離=時間*聲速。

3 NRF24101無線網(wǎng)絡(luò)搭建部分設(shè)計

本文所設(shè)計的超聲定位系統(tǒng)是基于無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模虼藢崿F(xiàn)無線模塊NRF24101的發(fā)送、接收設(shè)置，并搭建無線網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)超聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的基礎(chǔ)。

3.1 NRF24101的發(fā)送與接收設(shè)置

在無線傳輸進行前，要先對NRF24101所使用到的管腳進行初始化。初始化后，LPC1768可以使用SPI協(xié)議對NRF24101的寄存器進行讀寫操作。此時可以設(shè)置相應的寄存器完成無線傳輸?shù)陌l(fā)送和接受。

圖5是發(fā)送部分的流程圖。程序開始后，先設(shè)置發(fā)送地址和接收地址0，這兩個地址必須為同一地址，并設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)的寬度。然后使能自動應答模式并使能接收通道0，之后設(shè)置重發(fā)時間和重發(fā)次數(shù)，其次清除FIFO，為發(fā)送數(shù)據(jù)清理出空間。然后設(shè)置發(fā)送頻率，這是十分重要的一步，最后通信的實現(xiàn)不僅僅要發(fā)送地址接收地址相同，還要發(fā)送頻率和接收頻率相同才行。最后將NRF24101模塊設(shè)置為發(fā)送模式，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)，當發(fā)送數(shù)據(jù)成功或達到最大重發(fā)次數(shù)時，結(jié)束流程。

圖6為接收部分的流程圖。程序開始后，先設(shè)置接收地址1，其地址應為發(fā)送部分的發(fā)送地址，并設(shè)置接收數(shù)據(jù)的寬度。然后使能自動應答模式并使能接收通道1，之后設(shè)置重發(fā)時間和重發(fā)次數(shù)，其次清除FIFO，為接收數(shù)據(jù)清理出空間。然后設(shè)置接收頻率與地址相同，這的接收頻率應與發(fā)送部分的發(fā)送頻率相同。最后，將NRF24101模塊設(shè)置為接收模式，就可以接收數(shù)據(jù)，完成整個流程。

3.2無線網(wǎng)絡(luò)的搭建

本文中所搭建的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，從機的地址是相同的，是通過改變不同的射頻發(fā)射接收頻率來區(qū)分各個從機，實現(xiàn)主機與各從機之間的數(shù)據(jù)通信的。如圖7所示，主機的發(fā)送地址為ADD1，接收地址為ADD2；三個從機的發(fā)送地址都為ADD2，接收地址為ADD1。但它們主機與各個從機發(fā)送頻率是不同的：主機與向從機1發(fā)送數(shù)據(jù)時的通信頻率為2.432Ghz；主機與向從機2發(fā)送數(shù)據(jù)時的通信頻率為2.448hz；主機與向從機3發(fā)送數(shù)據(jù)時的通信頻率為2.464Ghz。而3個從機向主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用的是同一頻率為2.416Ghz。這種現(xiàn)象是因為從機作為接收端時，主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，此時的從機地址都是相同的，只能通過不同的通信頻率來區(qū)分從機；但從機向主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，是在接收到主機向從機發(fā)送的數(shù)據(jù)后才開始進行的，這時只有一個從機作為發(fā)送端，主機作為接收端，因此所有的從機都可以使用這一相同的頻率向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖8所示流程圖為主機的流程圖，程序在開始后首先進行初始化，使各模塊能正常的使用。然后主機依次向從機發(fā)送定位信息，接收回傳數(shù)據(jù)并檢查數(shù)據(jù)是否準確。之后主主機獲取光強數(shù)據(jù)。獲得所有數(shù)據(jù)后，主機對超聲數(shù)據(jù)運用三點定位算法進行處理，獲得位置節(jié)點的坐標信息；對光強數(shù)據(jù)進行對比分析，得出光信標的相對方向。最后將處理完的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端，完成一次循環(huán)。

圖9所示的流程圖為從機程序的流程。程序開始后，首先進行初始化，隨機程序進人接收數(shù)據(jù)模式，當接收到主機的定位數(shù)據(jù)時，從機發(fā)送相應的數(shù)據(jù)到主機，完成一次循環(huán)。

4 TOA與定位算法

本文采用TOA獲取距離信息。當需要獲取未知節(jié)點的位置信息時，未知節(jié)點通過無線信道向信標節(jié)點發(fā)送定位信號，同時通過超聲模塊向信標節(jié)點發(fā)送超聲定位信號。由于超聲波的傳輸速度遠低于無線傳輸速度，所以無線電定位信號將先到達信標節(jié)點。一旦信標節(jié)點接收到無線定位信號，立即啟動定時器，并在隨后接收到超聲波定位信號時停止定時器。這樣就能獲得無線信號和超聲信號到達信標節(jié)點的時間差。在測量距離短的環(huán)境中，無線信號的傳輸速度非?？?，遠遠高于超聲波信號的速度，無線信號的傳輸時間可以忽略不計。這通常需要從未知節(jié)點到信標節(jié)點的時間。并通過無線通道將時間傳回未知節(jié)點。其過程如圖10所示。