基于RFID的室內超聲波定位系統

陸軍軼

(重慶大學自動化學院,重慶 400000)

基于RFID的室內超聲波定位系統

陸軍軼

(重慶大學自動化學院,重慶 400000)

室內定位技術在倉庫管理等領域前景廣闊。本文基于超聲波和RFID技術設計了一種室內超聲波定位系統。系統通過測得標識物體到空間固定點的距離來計算得到其二維坐標信息。位置信息可上傳至主系統供進一步處理。本系統原理簡單可靠,維護成本較低,可以在許多大型場所得到應用。

RFID 超聲波測距 二維坐標 單片機

1 引言

小到室內機器人的跟蹤定位,大到機場、倉庫等場所的物資調度,室內定位系統都能發揮很重要的作用。無線電定位系統的基本原理是通過測出接收到的信號衰減度,求出接收點到發射點的距離,再計算得到物體的位置信息。但是,該系統在室內應用時精度卻得不到保證。基于RFID的超聲波定位原理與它相類似,但是一方面,聲波較慢的特性保證了測距精度。另一方面,利用RFID對特定頻率射頻信號的識別特性,可以對位于室內不同位置的定位模塊單獨控制,提高了系統的準確性和靈活性。本系統可靠性高,維護容易,可以應用在許多大型場所。

2 系統原理

2.1 超聲波測距原理

空氣中,超聲波的傳播速率與溫度有關,大致為

式中,T為空氣溫度。

當超聲波傳播時間t已知時,超聲波走過的路程S可以表示成

時間t能夠由單片機測得:在超聲波發生器啟動時,單片機也開始計數。接收器接收到超聲波時觸發中斷,單片機停止計數。T可由測得脈沖數轉換得到。

2.2 RFID頻率識別

RFID技術有遠距離存取、高速辨識和標簽匹配等特點。將RFID讀頭能接收到的信號和發射器發射的信號設定在相同頻段,則讀頭和發射器能夠唯一匹配。這樣一來,系統通過讓發射器發射不同頻率的射頻信號,就可以觸發相應的超聲波發射電路,從而實現分時測距。

2.3 系統定位原理

室內定位系統的示意圖如圖1所示。圖中,A、B、C、D是位于室內天花板四角的RFID—超聲波定位模塊,P為標識物體,h為超聲波接收器離房頂的高度。

系統工作時,RFID發射器發射不同頻率的射頻信號,分時觸發對應的定位模塊發射超聲波,被P處的接收器到。通過這種方法,系統得到了P到四個角的距離再利用三角原理,可以計算出P在圖示坐標系下的二維坐標。

3 超聲波定位算法

,在平面xOy中,O是A的投影點,PO間距

圖1 超聲波定位系統示意圖

圖2中,W是房間寬度,L是房間長度。物體P的坐標(x,y)可以由三角公式求得。在中,有

于是,P點的橫坐標、縱坐標可以表示成:

實際上,從圖2中4個三角形都能各自推導出P的坐標來,分別記作和即使當物體P由于位于盲區導致某一段距離無法得到時,系統仍然有足夠的信息可以計算出物體的位置信息。一般地,通過求橫縱坐標的算數平均值來減小測量誤差。

如果系統已知目標物體Q的二維坐標為(x',y'),那么,Q相對于P的方位角以及距離r為

圖2 超聲波測距示意圖

圖3 系統硬件結構

4 系統硬件設計

系統硬件主要由兩部分組成,一是固定在物體P上的標識模塊,二是控制著各定位模塊的主系統。系統結構如圖3所示。

標識模塊主要包括單片機、RFID發射器、超聲波接收器以及Zigbee通訊模塊。主系統主要由4個(或更多)RFID觸發電路和對應的Zigbee通訊模塊組成。

單片機控制RFID發射器分時向四周發射不同頻率的射頻信號(如低頻125kHZ,135kHZ等),讀頭在接收到對應的射頻信號后啟動發射超聲波。超聲波接收器一般固定在物體頂部以便增強接收能力。待所有距離都測得后,單片機計算得到此時P的二維坐標,并可通過Zigbee通訊將位置信息上傳到主系統。

5 結語

本文介紹了基于RFID的室內超聲波定位系統,利用RFID的頻率識別特性以及超聲波的傳播特性實現了對標識物體的二維定位。本系統實現簡單,可靠性高,適合在倉庫、機場等大型場所廣泛應用。

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