一種輔助WSN室內定位的測距系統設計?

羅 平 黃成兵 向昌成 羅南超

（阿壩師范學院 阿壩州 623002）

1 引言

隨著無線傳感器網絡問世以來，室內定位作為一個重要的發展方向了彌補室外定位的不足，常常用于大型倉庫、大型超市的物品定位；地震、火情等險情中的人員定位；協助危險環境時工作人員和同伴的定位，大大提高生活和工作的效率［1］，因此室內定位具有重要的實際意義［2］。

由于室外定位技術使用GPS、北斗導航、電信基站等技術手段的局限，很難完成室內定位。目前室內幾何數學定位算法主要依靠基于測距（Rang-base）和非測距（Rang-free）兩種傳播模型，其中基于測距的傳播模型主要包括：基于接收信號強度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）［3～4］、基于到達時間（Time of Arrival，TOA）［5～7］，基于到達角度（Angle of Arrival，AOA）［8］，基于到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）［9～11］4 種模型，其中TDOA傳播模型可以獲取很高精度的距離，適合于室內環境的高精度目標定位，因此本文設計了一種基于TDOA模型的測距系統以輔助無線傳感器網絡完成室內定位，具有十分重要的現實意義。

2 測距系統應用介紹

如圖1所示，單層平面建筑環境下，定位系統中的節點分為3種：一種是定節點，一種是未知節點，一種是sink節點。任何兩個及以上定節點獲取到一個未知節點的距離，就可以使用三角定位、三邊定位、或者雙曲線定位等幾何定位算法實現定位。該測距系統的主要功能是完成節點間距離獲取，未知節點可以通過控制測距系統發送一組測距信號，定節點的測距系統通過測距信號中兩種不同信號的到達時間差計算出距離，定節點再通過CC2420組建的Zigebee網絡將距離信息傳送到定位系統中的sink節點以此實現室內定位。

圖1 TODA測距系統應用圖

2.1 測距系統結構

測距系統設計在Micaz節點上，如圖2虛線方框中所示，測距系統結構包括電源模塊、Atmega128單片機、超聲波接收模塊、超聲波發送模塊和RF射頻模塊。

圖2 TDOA測距系統結構圖

2.2 測距系統原理

測距原理如圖3所示。一組測距信號包括：一個ID信息的RF信號和超聲波信號（US）。定位系統中的節點通過Atmega128處理器調用測距系統發送測距信號：即同時發射一個帶ID信息RF信號和一個40KHz的超聲波信號，接收節點通過測距系統檢測這兩種信號，并計算兩種信號到達的時間差ΔT=T2-T1，并根據超聲波信號的傳播速度來計算與發射節點的距離，測距精度可達到毫米級［6-9］。

圖3 TDOA測距原理圖

2.3 距離計算公式

超聲波傳輸過程中，環境的溫度影響波速。當溫度在0℃～20℃范圍內時，波速為331.4 m/s～340 m/s，溫度每上升或者下降l℃，波速將增加或者減少約0.6 m/s，這個誤差對于要求較高精度的測量有很大影響。工業常用的聲速的公式：Vult≈331.05+0.61t（m/s），其中t為攝氏溫度。室內環境下，溫度t通常取20℃，則Vult≈343.25m/s。在公式中可以近似地認為

3 硬件電路設計

3.1 Atmega128單片機

Atmega128單片機是8位低功耗CMOS微處理器，主要完成控制發送測距信號、計算測距信號時間差、計算距離三大功能。

3.2 超聲波發射電路

如圖4所示，超聲波發射電路采用MAX232集成電平信號轉化器，可以有效實現Atmega128處理端控制信號的功率放大、濾波等工作，相比傳統的純電路超聲波放大電路具有高度集成和工作穩定的特點。同時電路只需要4只0.1uF電荷泵電容即可構成整個超聲波發射電路。超聲波傳感器采用T/R40-24mm波束角±30°量程（5～8）m的超聲波探頭，可以滿足大多數室內空間。發射工作原理：Atmega128定時器控制I/O2和I/O3引腳交替產生8個周期為25us、占空比為50%的脈沖信號，通過Max232在T1OUT/T2OUT引腳上產生24Vpp激勵電壓作用于超聲波探頭，產生機械振動發射超聲波。通過I/O引腳1控制PNP三級管作為超聲波發射電路的開關，可以有效減短超聲波探頭工作時間，降低發射探頭對接受探頭的影響，提高系統穩定性。

圖4 超聲波發送電路

3.3 超聲波接收電路

如圖5所示，超聲波接收電路采用4路集成運算放大器為主要核心，通過外圍電阻、電容器件實現5級電路，完成信號濾波、功率放大、邏輯轉換等功能。

超聲波接收原理：超聲波探頭接收到40 KHz的超聲波信號時，機械振動產生感應毫伏級三角型波形信號Ui，此時Ui進入TL074四路運算放大器的第1級微分電路，該電路由4IN+、4IN-、47k電阻、10nF電容構成。該電路可以將微弱的Ui信號的幅值增大U0=-RC×d( )Ui-VT/dt倍。

圖5 超聲波接收電路

第2級微分電路：由TL074中3IN+、3IN-、160電阻、56k電阻、2個1nF電容等器件構成。當Ui從4OUT引腳輸出進入時，Ui信號再次放大倍，第2級微分電路中加入的1nf電容充當反饋電容，160歐姆電阻充當偏置電阻，可以有效地抑制Ui信號中高頻信號對放大電路的干擾，實現濾波功能。

第3級電路：由2IN+、2IN-、75k電阻組成電壓跟隨器，Ui信號通過10K電阻和1nf電容與電壓跟隨器的輸出端2OUT耦合，可以將Ui信號與VT端電壓疊加，產生幅值交大的波型。

第4級電路：由1IN+、1IN-、120k電阻、1k電阻、5v電壓構成電壓比較器，IN-端輸入電壓Uc與Ui信號比較，當Uc＞Ui時，1OUT引腳輸出高電平，當Uc＜Ui時，1OUT引腳輸出低電平。

第5級邏輯電路：由PNP三極管、3.9k和10k電阻構成，1OUT引腳的邏輯電平信號通過控制三級管的開關使得PC3引腳出現高低電平變化，提供給Atmega128處理器，而這個變化頻率等于1OUT引腳信號頻率，整個過程完成超聲波信號的檢測。

3.4 RF12B射頻模塊

圖6 RF12B的連接電路

RF12B射頻傳感器通過SPI接口與Atmega128單片機通信，連接方式如圖6所示。命令幀格式如圖6所示，通過SPI接口的SDI引腳向RF12B模塊寫命令幀：0xb8+ID，RF12B射頻模塊通過天線將自身ID值發送出去。數據接收原理：單片機通過SPI接口寫命令幀，0x80+0xd8到RF12B的寄存器中，RF射頻模塊自動調整到接收狀態，當檢測到信道上有RF信號時，通過nIRQ引腳產生一個低電平從P2引腳通知Atmega128處理器通過SPI接口的SDO引腳讀取RF12B數據緩存中接收到的數據。

4 軟件設計

系統的軟件設計主要分為接收程序和發送程序。程序使用C語言編寫，軟件流程如圖7所示。本文設計的測距系統隨著Micaz節點的運行一直處于待機接收狀態，等待Micaz節點的調用命令，或者等待接收測距信號中的RF信號，當接收到RF信號時開始計時直到成功接收到超聲波信號，計算距離；若在固定時間內沒有接收到超聲波信號則放棄該次計時。在待機狀態過程中，接收到發送測距信號命令時，開始發送一組測距，信號發送完成后進入待接等待模式，等待接收RF信號或者調用命令信號。

圖7 軟件流程圖

5 系統測試結果

在20℃左右的室內環境下，探頭相對角度分別在 0°、15°、30°、45°、60°、90°6種不同情況下實驗2組，將測距系統的2個節點放置在精確刻度的標尺上，節點1不動，節點2移動，節點間距從0 cm開始每次遞增100 cm進行2組測試記錄平均值。測量的結果如表1所示，誤差分析如圖8所示。測試結果表明，該系統在0°角度下最大測量距離872cm；存在為2cm～6cm盲區；系統在200cm內無論0～90°變化基本毫米級的精度；200cm～900cm范圍內精度能夠保持在15cm以內，但系統隨著距離的增大，誤差呈現增大趨勢，主要因素有：1）超聲波在空氣中的損耗受溫度、濕度影響本系統沒有對這兩者補償；2）超聲波的損耗模型在空氣中傳輸距離越遠衰減越大，本系統沒有進行時間增益補償電路的設計；3）單片機每次接收和檢測信號時間存在差異，RF12B射頻模塊信號接收、傳輸存在時間差異。系統隨角度偏差越大，誤差呈現增大趨勢的主要因素：在系統設計時，選用超聲波傳感器具有60°的波束角，當探頭超過0°時，接收探頭的角度變化接收到的波形受到反射波干擾，響應接收探頭檢測，同時本系統設計的計算算法沒有補償不同波形周期的差異。當超過60°，系統基本不能測距。

表1 誤差分析表

圖8 測量誤差比較圖

6 結語

本系統與反射式超聲波測距系統比較，沒有使用反射原理，測距過程中超聲波不會受到回波干擾，提高了反射式超聲波測距的最大量程872m?？刂凭仍?.9%以內，最大有效廣角60°，完全滿足無線傳感網絡的室內高精度定位要求，本系統可以很好地解決節點間的測距問題，適用于無線傳感網絡的定位以及工業控制中。