基于單片機的超聲波室內定位系統

高子晉

摘 要 文章主要介紹了一種基于超聲波測距技術的室內定位系統的設計。硬件方面詳細介紹了同步無線信號處理電路、超聲波收發電路、溫度補償電路等。軟件方面主要介紹了室內定位的算法、主控機程序流程以及測量點處單片機程序結構。

關鍵詞 超聲波測距；室內定位算法；程序流程

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）205-0138-02

隨著數據業務和多媒體業務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內環境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環境中，常常需要確定各種設施與物品在室內的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復雜室內環境等條件的限制，比較完善的定位技術目前還無法很好地利用。因此，專家學者提出了許多室內定位技術解決方案，如GPS技術、紅外線技術、藍牙技術、射頻識別技術、超寬帶技術、WiFi技術、ZigBee技術、超聲波技術等。

超聲波是一種頻率超過20kHz的機械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸的基本物理特性—反射、折射、干涉、衍射、散射。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點，易于獲得較集中的聲能，可產生較大力量。可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石等。在醫學、軍事、工業、農業上有很多的應用。

1 超聲波測量的定位算法

超聲波測量的定位也分為三球定位原理和三圓定位原理兩種情況。

應用于三維坐標系統時稱為三球定位原理，應用與二維坐標系統時稱為三圓定位原理。它是利用超聲波傳感器能感超聲波物理現象，把感知到的超聲波的時間差作為測量數據來進行定位的。基于超聲波測量的定位算法的原理圖如圖所示。

將超聲波的時間差定義為一組聲波數據。聲波數據與聲速的乘積就為聲源到達測量點的實際距離，利用三組超聲波數據，可以對目標進行三圓定位。三圓定位法中目標的位置是由以各站為圓心，以各站同時測量目標的距離為半徑的三個圓的交點來確定。

2 超聲波室內定位系統硬件電路設計

超聲波室內定位系統由主系統和攜帶機系統兩部分構成，主系統由上位機、通信控制器、單片機、無線發射電路、超聲波接收電路組成：

室內放置至少3個測量點，測量點包括測溫模塊、超聲波接收設備，信號處理部分。主系統需要一臺用于計算與顯示的計算機。被跟蹤的物體攜帶無線接收模塊，超聲波發射模塊和信號控制部分。首先，由計算機發射無線電信號，同時計算機通知各個控制點開始計時。當被跟蹤的物體接收到無線電信號后，和自己ID進行比較，確認ID后，由信號控制部分控制超聲波發射模塊發射超聲波。當測量點接收到超聲波后停止計時，并由信號處理部分把時間、室內溫度等數據打包，接到計算機可傳送數據命令后傳回給計算機。采用RS—442接口完成計算機和控制點的通訊。當相關數據傳送完畢后，主控制系統開始計算并把計算結果顯示在計算機上。由于一個控制點只能完成本控制點與物體之間距離的測量。所以只能確定物體在以此控制點為圓心，測得的距離為半徑的球面上。兩個點則相當于兩球面相交，可確定物體在一個圓上。三個點則相當于兩個園相交，可確定物體在以3測量點為對稱面一上一下的兩個點。由于本系統是室內定位，將對稱面置于地面則可排除對稱面下方點坐標。因此本系統至少需要3個不在同一直線上的測量點。

3 系統軟件設計

主控機程序功能主要是通過串口向測量點的單片機傳送數據包，控制單片機完成測量功能。測量完成后，再通過串口接收回傳數據。在主控機內部完成計算，最終完成測量結果顯示。

本系統設定用RS—422接口完成計算機與測量點中單片機之間的通訊。首先，由計算機發送無線電信號。同時各個測量點開始計時。當被跟蹤的物體接收到無線電信號后，確認ID，與自身工D匹配后，由信號控制部分控制超聲波發射模塊發射超聲波。當測量點1接收到超聲波后停止計時，由信號處理部分把時間，室內溫度等參數傳回給主控計算機，用于數據處理，最終在計算機上顯示。相關數據傳送完畢后，控制點2開始如上過程。依次類退，直至所需控制點3完成數據傳送。再從控制點1開始下一次測量。

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