厘米級室內無線定位方法研究

尹夢雪

摘 要：隨著經濟的快速發展和業務的不斷擴充，人們對定位和導航的需求也越來越大，但是，市場上的定位工具很難滿足人們對精確度的要求。簡要介紹了將聲波與射頻技術相結合完成定位工作一種方案，利用時間差測距，預計定位精度為20～50 mm，以期為日后的相關工作提供參考。

關鍵詞：室內定位；超聲波；電磁波；時間差

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.009

1 方案概述

定位裝置包括發射裝置和接收裝置兩部分。發射裝置同時發射電磁波和超聲波信號，接收裝置從接收到電磁波信號開始計時，到第一次收到聲波信號為止，由此得到Δt，接收裝置據此計算出其與發射裝置的距離。至此，分別得到3個不同發射裝置的坐標和接收裝置到發射裝置的距離，即可算出接收裝置在空間中的坐標。

2 定位原理

定位裝置的定位原理如圖1所示。

室內環境是三維立體空間，傳感器節點有2種，分別為發射器和接收器節點，如圖2所示，則假設發射器2節點之間的距離為L，坐標為（x，y，z），其中，x>0，y≥0，z≥0. 由于該節點發射的超聲波信號方向性比較強，所以，需要合理布置發射器的節點位置。經過計算，發射器距離接收器節點平面至少要保持大約180 cm的距離。

如圖3所示，超聲波信號到達接收器的路徑有2條，分別是直接到達的路徑P1和通過反射到達的路徑P2。假設2條路徑分別為L1和L2，信號沿這2條路徑到達接收器的時間間隔為T，例如L1-L2=2 m，T=（L2-L1）/V，則T≈6 ms。

設超聲波發射器與接收器之間的距離為R，則傳播時間為R/V。超聲波發射的脈沖持續寬度是Tus，則超聲信號可以在時間Dus=R/V+Tus內消失。因此，發射器的超聲信號在時間間隔Dus內將消失，發射器發射的RF信號由于時間短也會消失，即如果2個發射器信號傳播的間隔時間大于Dus，那么，接收器在接收信號時不會產生干擾。在規定的距離內，本文采取將發射器的發射時間間隔調為最小Dus的方法將發射器之間的干擾最小化。

在靜態過程中，接收器可以同時接收3個及以上的發射器信號，并通過式（1）得到距離值。式（1）為：

3 硬件結構

3.1 微控模塊

該方案選用P89V51芯片，芯片核心處理單元為80C51。

3.1.1 考慮到測量精度

由于測距的誤差要求小于1 mm，超聲波速度C=344 m/s（在20 ℃室溫下），則測距誤差△t<（0.001/344）≈0.000 002 907 s=2.907 μs。只要保證時間差達到微秒級，那么，測距誤差就可以小于1 mm。因此，系統采用89C51定時器能保證時間誤差在1 mm的測量范圍內。

3.1.2 電源模塊

直接使用市面上銷售的手機充電器，從220 V民用電中得到5 V直流電。

3.1.3 串行通信模塊

串行通訊電路存在于控制系統的發射端和接收端，用于接收PC機發出的指令，并調試程序。

3.2 RF模塊

RF模塊主要用于實現信號的發射和接收。該模塊的作用是通過信號發射和接收芯片CC1100來實現的。在該系統中，設置該芯片的頻率為433 MHz，這樣可以實現高效率、高可靠性的數據傳送。

控制過程可以分為參數初始化配置、接收數據和發射數據3部分。

3.3 超聲波發射模塊

多諧振蕩電路輸出信號是由時基電路及其外圍元件構成的。由于超聲波傳感器的中心頻率為40 kHz，所以，要求驅動發射頭的信號頻率也必須為40 kHz。在理想情況下，驅動信號應為正弦波形或占空比為1的方波。在發射探頭允許的電壓范圍內，驅動信號的幅值要盡量大，這樣才可以獲得較大的發射功率，進而擴大系統的測量范圍。

3.4 超聲波接收模塊

該系統的超聲檢測電路采用集成芯片CX20106A。這是一款用于接收紅外線檢波的專用芯片，它是由前置放大器、陷波放大器電路、帶通濾波電路、陷波放大器電路、波形整形電路和峰值濾波器等組成。常用的載波頻率為38 kHz，與測距所有的超聲波頻率40 kHz比較接近，因此，可以把它作為超聲檢波電路。當超聲波接收端接收到40 kHz的方波信號時，超聲信號會轉換成電信號。這個信號經過CX20106A放大、濾波、整形后輸出負脈沖電壓，驅動放大器將信號送入單片機的外部中斷口。單片機在得到外部中斷請求后，會轉入外部中斷的中斷服務程序作處理。

3.5 溫度補償模塊

因為聲速對溫度變化的表現比較敏感，并且室內晝夜有一定溫差，所以，為了減小測距誤差，溫度補償是不可忽略的。

聲速修正采用式（2）修正：

本文利用溫度傳感器DS18B20測量溫度。

4 結論

在復雜的室內環境中，比如地下停車場、大型超市和圖書館等，經常需要獲取移動終端或其持有者和室內物品的位置信息。因此，厘米級室內定位的研究與應用是非常重要的，這也是當下的熱點問題，而且其市場需求空間非常廣。

〔編輯：白潔〕