基于超聲傳感器網絡的定位系統設計

張燕 沈洲

摘要：該文設計了一款可以在小范圍環境下，通過信標進行相對定位的系統。使用NRF24101搭建無線網絡，實現未知節點與信標節點的數據通信；使用超聲傳感器獲取未知節點與信標節點的距離。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點的坐標信息。通過實際運行結果說明其正確性。

關鍵詞：無線傳感網絡；TOA；定位系統；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”開創了現代無線傳感器網絡前奏。在這之后，無線傳感器網絡受到了來自社會各界的關注，成為在國家防御、目標定位、環境監測、智能交通、智能農業、大型停車場管理和機場安檢等眾多領域中具有較強競爭力的應用性技術之一。由于超聲室內定位技術的應用前景和工程需求，國內外許多機構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公司設計的Constel-lation系統。其發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。發射器依次被相對應的接收器的同步觸發信號激發出超聲脈沖信號，接收器計算出脈沖的時間并轉換成距離信息。2）劍橋AT&T;實驗室開發的ActiveBAT系統。它是采用超聲波傳輸的實踐延遲技術來定位的。3）MIT計算機科學和人工智能實驗室研究的Cricket系統。它是由超聲發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定位的。4）東京大學設計的Dolphin系統。它的原理和ActiveBat、Cricket是相似的。不同在于大范圍定位時，Dolphin系統只要少量的超聲發射器和接收器，然后依據一種遞歸算法來實現依次定位，降低了構造和操作的成本。5）英國劍橋大學通信工程實驗室開發的寬帶超聲波定位系統。該系統提出一種利用寬帶傳感器的新型超聲定位系統，具有寬頻通帶寬度。

本論文研究了基于無線網絡的超聲傳感器定位系統。

1系統組成和結構

超聲傳感器網絡的定位系統整體硬件設計框架如圖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絡進行通信。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絡，實現數據的傳輸；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輸出端口傳輸的都是TTL信號，因此，hc_sr04與LPCI768之間通過10口就可以實現數據的通信。如圖2所示，可以設置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hc_sr04_init（）實現對這兩個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端TIRG發出一個10us的TTL高電平時，模塊的內部會自動發送一個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，且高電平持續時間就為超聲信號發送到接收的時間。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數據獲取的流程圖。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（本設計采用兩個超聲模塊進行一個發超聲信號，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端接收數據。此時所接收的數據為超聲波從發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無線網絡搭建部分設計

本文所設計的超聲定位系統是基于無線網絡進行數據傳輸的，因此實現無線模塊NRF24101的發送、接收設置，并搭建無線網絡是實現超聲傳感器網絡定位的基礎。

3.1 NRF24101的發送與接收設置

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協議對NRF24101的寄存器進行讀寫操作。此時可以設置相應的寄存器完成無線傳輸的發送和接受。

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

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

3.2無線網絡的搭建

本文中所搭建的無線數據傳輸網絡，從機的地址是相同的，是通過改變不同的射頻發射接收頻率來區分各個從機，實現主機與各從機之間的數據通信的。如圖7所示，主機的發送地址為ADD1，接收地址為ADD2；三個從機的發送地址都為ADD2，接收地址為ADD1。但它們主機與各個從機發送頻率是不同的：主機與向從機1發送數據時的通信頻率為2.432Ghz；主機與向從機2發送數據時的通信頻率為2.448hz；主機與向從機3發送數據時的通信頻率為2.464Ghz。而3個從機向主機發送數據時，使用的是同一頻率為2.416Ghz。這種現象是因為從機作為接收端時，主機向從機發送數據，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分從機；但從機向主機發送數據時，是在接收到主機向從機發送的數據后才開始進行的，這時只有一個從機作為發送端，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送數據。

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送定位信息，接收回傳數據并檢查數據是否準確。之后主主機獲取光強數據。獲得所有數據后，主機對超聲數據運用三點定位算法進行處理，獲得位置節點的坐標信息；對光強數據進行對比分析，得出光信標的相對方向。最后將處理完的數據發送至PC端，完成一次循環。

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據模式，當接收到主機的定位數據時，從機發送相應的數據到主機，完成一次循環。

4 TOA與定位算法

本文采用TOA獲取距離信息。當需要獲取未知節點的位置信息時，未知節點通過無線信道向信標節點發送定位信號，同時通過超聲模塊向信標節點發送超聲定位信號。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點。一旦信標節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點的時間差。在測量距離短的環境中，無線信號的傳輸速度非常快，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點到信標節點的時間。并通過無線通道將時間傳回未知節點。其過程如圖10所示。