基于超声波的定位系统研究与实现

传感器技术、微机电系统、现代网络和无线电通信等技术的进步，推动了无线传感器网络的产生和发展。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、城市管理、生物医疗、环境定位、抢险救灾、危险区域远程控制等诸多领域。

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距离一般只有几十米。短距离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车间等场所中的移动物体定位。

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相互协调，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断目标的距离。是根据超声波在检测区域内运动时遇到界面反射所呈现的特征来判断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结构或边界返回时，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，还有一部分超声波渗入被测物体，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，便可算出物体的距离。同样，当声波触及被测物体内的气孔、杂质等非连续性目标位置时，也会产生回波，据此得出目标位置的信息，如目标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精确定位都无法保证。由于目标回波位置直接决定了测量精度，尤其对运动目标，如何精确测定出回波位置是技术的关键所在。本文介绍的信号采集系统包括传感器信号采集设计及传感器与MOTE之间信息传递的硬件设计与构造。超声波传感器的特点是其方向性好且可以达到厘米级定位精度，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，假设传感器在经过时间t后接收到返回的超声波，根据公式s=vt，取值v为34000cm/s，实际中的超声波发射时间单位是毫秒(mm)，换算后为10-6s，则

根据此公式可求得距离值s，其中值与传感器的定时器有关，是一个与硬件设备关系密切的采样值。在系统中，假设超声波传感器的定时器为16位，则 216=65536，65536/58=1129，即能够定位的范围在11H左右。我们在实际中发现采集到的数据与实际的距离还存在一个线性关系，利用 16位的定时器能够探测的距离仅在1.46m之内，这对于目标定位系统是灾难性的限制。对此采用降低时间精度来提高超声波的工作范围，把时间精度降低为原来的1/3，则实际的探测范围相应提高到原来的3倍，达到4.8m。经过实际检验，证明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，服务程序解析数据内容并进行处理，一部分内容于事件归类后存入数据阵，用作分析查询。另一部分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行通信控制之后，由传感器节点将其丢弃，因为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，而且会耗费电池。数据库根据需要可以选择数据进行位置估算，然后再对风向、障碍物、地面高低起伏等影响因素进行参数修正，确定目标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部分的程序模块，以可视化的力式显示定位到的内容。

超声波定位系统在具体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，因此必须有一种能够把各个发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。主体部分由微处理机电路、超声波接收电路和无线电编码触发电路组成;发射点部分由超声波发射电路和无线电编码接收电路组成。系统的工作过程首先由微处理机选定要触发的发射点地址，启动发射电路并开始计时，在给定时间内如果接收到信号则由延迟时间计算出主体到发射点的距离。与超声波相比，无线电波的传输时间可忽略不计;如果在给定时间内没有接收到信号，则认为主体到发射点的距离已超过可接收距离。当接收到足够的发射点信号后，可由主体到各个发射点的距离计算出主体的位置坐标。由于超声波在空气中的传播速度随着环境条件的不同而变化，为了提高测量精度，还需要对测量结果进行校正。

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工艺生产的基于RISC结构的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个工作寄存器和指令集联结在—起，所有的工作寄存器都与ALU直接相连，实现在 —个时钟周期内执行单条指令的同时访问两个独立寄存器的操作，这种结构提高了代码效率，在性能上比普通单片机提高约10倍。Atmega128L具有丰富的资源和较低功耗。片内有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，并可在多种不同的模式下工作;8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器UART、SPI、I2C总线接口;JTAG接口除了正常操作模式外，还具有6种不同等级的低功耗操作模式，每种模式具有不同的功耗。MICA2的数据传输单元模块由Chipson公司生产的低功耗、短距离的符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件的无线通信模块CC2420组成。节点的MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，MAC层采用的是基于ESMA-CA的机制，该芯片只需极少外部元器件，可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达250kbit/s，可以实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。

3 软件系统的设计

软件系统将设计的目标定位系统布置在实际的物理硬件上并进行相关实验研究。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，唤醒相邻节点采集数据，节点将收集的数据汇聚至头节点，头节点进行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据传送到具有较强处理能力的基站从而估算出发生事件的大致位置。

4 通讯控制结构

在网络节点的通讯过程中，节点在无工作任务时的空闲侦听耗费了相当宝贵的能量资源;同时无线信号在转发过程中存在丢包、串音、局部消息汇集而引起的拥塞等，在网络通讯控制结构设计中必须考虑这些问题。为提高系统的扩充性和适应性，采用构建包括节点分组、能量管理、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提高。

与目前Internet网络的层结构相比，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，主要是因为传统的消息确认会造成无线传感器网络能量巨大损耗，而传感器网络数据传输量巨大，对少量丢失的数据并不敏感，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、可靠性和安全性较差。而且在系统运行期间节点可能随时会迁入、移出或因为能量耗尽而失效、位置移动等，由此引起网络拓扑结构和通讯链路控制结构变化。为了尽量延长无线传感器网络的生存期，网络通讯控制结构应尽量满足以下条件：当系统处于空闲监听状态时，留下少数节点维持基本链路而使其他节点进入休眠;因为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说是一项繁重的任务，有效运用数据融合、分布式处理等技术可减少冗余数据并降低无线通讯的次数;提高扩展性和鲁棒性，适应节点迁入、移出或失效等各种变化。在应用中，无线传感器网络节点的能量消耗与其在通讯过程中采用的方式有密切关系。

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，这意味着在实际中虽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，这也从侧面说明了采取一定措施限制误报率的必要性。

对于目标定位系统而言，实时性是其关注的另外—个要点，如果系统不能及时将网络系统的处理结果反馈，再完美的计算结果也无意义。从理论上说，系统的延时是决定性的因素。

5 结束语

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具体要求其应用电路可作适当改进。例如可以将编码信号直接加入到超声波信号中，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。本文对回波信号进行处理，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;目标定位精度高，避免了传统的模拟检测器误差大的缺点，为危险性目标位置的精度定位提供了借鉴作用。