基于射频及超声技术的室内二维定位系统设计

林盈洪 杨意 郑奋立 钟嘉诚

摘 要：该文通过对比几种常用室内定位（In-location）方法，设计并实现了基于射频和超声波技术相结合的室内二维定位系统。系统采用C51系列单片机为主控芯片，nRF24L01芯片作为射频通讯芯片，结合超声波发射与接收电路，融合射频和超声技术对二维平面上一点的位置信息进行获取，并通过LCD12864进行测量结果的显示。文章详细的分析了系统的工作原理并进行了测量电路的设计，由实际测量的数据对结果进行误差分析可知，测量数据误差在2%以内。

关键词：射频 超声波 参考节点 室内定位

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（c）-0002-03

众所周知，对于室外定位系统，全球定位系统（GPS）[1]已经应用的成熟可靠，目前常用的车用导航、物流定位等大多数都利用的是此原理。但是对于室内定位，例如机场大厅、矿井内部、大型展厅内部、大型室内停车场以及大型购物商场，由于室内环境复杂多变，建筑物的结构，内部布局，以及人为因素等影响，所以实现精确定位的难度较大。目前诺基亚、谷歌、博通甚至一些知名大学比如美国杜克大学（Duke University）和芬兰奥卢大学（University of Oulu）都有专门研究室内定位的小组。美国研究机构ABI称：“室内定位技术（In-location）是下一波热门定位技术，该技术将在2015年-2017年间得到大量部署和实施，是今后移动互联网领域的一个关键环节。” 目前室内定位常用的方法有红外线室内定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、射频识别定位技术和超宽带定位技术等。表1[2]分析了几种常见无线定位系统的性能表，参照表1，该文设计了基于51单片机使用超声波和无线射频相结合进行室内定位的测量系统，可以有效结合两种方法的优点，设计思路清晰，成本较低。根据实际测量结果分析，系统采样稳定，数据误差较小，具有一定的现实意义。

1 系统的设计思想及原理

由于射频信号传输速率接近光速，远高于超声波传播速率，因此可以利用射频信号先激活待测节点，之后使其接收超声波信号，利用时间差的方法进行测距。这种技术成本低，功耗小，精度高[3]。该文便是采用此种方法实现在二维平面内对一待测节点位置信息的获取。

1.1 系统设计原理

如图1所示。在一个二维平面中，要确定某未知点的位置信息，其实质便是求得其在平面坐标中的坐标值。由数学知识可以知道，确定平面上某一未知点（x，y）的坐标值只需要知道该点到平面坐标中已知的两个参考点（x1，y1），（x2，y2）的距离d1及d2，再利用两点间的距离公式（1）式，求解方程组即可求得未知点的坐标信息。

（1）

系统的关键就是通过超声波测出图1中的距离d1及d2，现在假设系统某一节点A具备射频发射模块和超声波发射电路，系统另一节点B具备射频接收模块及超声波接收电路。A节点同时发射超声波与射频信号，即发射电磁波。由于电磁波的速度接近光速远远大于超声波在介质中的传播速度，射频信号传播到节点B的时间忽略不计，当节点B接收到射频信号时，启动计时，当接收到超声波信号时停止计时。时间间隔t即是超声波由A传播到B所用时间。设声速为V，则A，B间距离为：。

1.2 系统整体设计

该文系统采用C51系列单片机作为控制芯片，nRF24L01作为射频通信芯片，利用LCD12864液晶屏进行坐标显示。如图2所示。系统主要包括三个节点，分别为1号总控制主节点，2号参考节点，以及3号待测节点。硬件设计上，各个节点都包括51单片机最小系统及上电指示电路，射频收发模块（nRF24L01）电路；另外总控制节点和参考节点具备超声波接收电路，待测节点处安装超声波发射电路。

系统整体通信流程简述如下：1号总控制主节发出射频触发信号，3号待测节点接收到射频信号之后报警指示灯亮。同时发射出射频同步信号及发射超声波。射频同步信号很快到达1号总控制节点及2号参考节点，两个节点启动计时器，待3号节点发射的超声波分别到达1号节点和2号节点后，接收到超声波信号，停止计时。分别获得超声波由3号节点到1号节点及2号节点的传播时间。1号节点总控制节点计算出节点1，3距离。2号节点参考节点计算出节点2，3距离，再利用射频模块将数据无线传送给1号总控制节点。总控制节点再依据两个距离数据，已知的节点1，2的坐标计算出3号待测节点的位置坐标。至此，完成系统一个单程通信，如此反复通信10次，求得位置坐标平均值通过1号节点处的液晶显示模块LCD12864显示待测节点位置信息。所有的通信流程由1号总控制节点控制。

2 系统电路设计

2.1 硬件设计

硬件设计上，文中系统主要涉及单片机小系统，射频收发电路，超声波发射与接收电路，LCD显示电路，射频收发模块供电电路。这里主要介绍系统的射频收发电路，超声波发射与接收电路。

系统无线通信模块的发射与接收主要采用nRF24L01芯片作为主控核心。nRF 24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置[4]。由于采用SOC方法设计因此只需要少量外围元件便可组成射频收发电路，再配合简单的通信协议，就可以实现无线数据传输[5]。将nRF24L01相应的控制引脚连接到单片机的P1口上，利用串行通信方式与单片机进行通讯，可以设置为增强型模式（ShockBurst）下的接收或是发射状态，启动自动应答及自动重发功能。采用nRF24L01增强型模式时内部芯片堆栈区先入先出，数据可从低速微控制器送入，高速发射出去，地址和校验码由硬件自动添加和去除[6]，可以提高系统整体的性能和效率[7]。

系统超声波发射电路框图如图3所示。系统利用定时器由单片机的I/O端口输出40 kHz左右的方波脉冲信号，信号送给推挽式功放电路进行功率放大，用以驱动型号为TCT40-16T的超声波换能器，发射出超声波信号。

系统超声波接收电路框图如图4所示。接收电路的核心是红外线检波接收专用芯片CX20106。由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近，可通过外接电阻微调芯片内部滤波器的中心频率。当超声波探头未接收到40 kHz信号时，芯片信号输出引脚为高电平；当接收到与CX20106中心频率（40 kHz）相符的超声波信号时，信号输出引脚输出下降沿脉冲，将此信号连接到单片机外部中断引脚上，可触发中断，从而停止超声波传播计时。

2.2 软件设计

系统软件设计流程图可以参考图2。系统软件按功能划分可以分为LCD显示，超声波发射，射频通讯，坐标计算几大部分。其中，LCD显示部分主要是通过时序对液晶屏进行相应的读写操作，超声波发射部分采用定时器中断产生40 K方波信号，坐标位置计算算法依据的公式（1）进行计算。下文主要针对射频通讯部分所进行的软件配置进行简述说明。

在图2的“3射频同步信号&超声波信号”过程中，系统各节点射频收发配置如图5所示。由于nRF24L01在每个通讯频道上具有6个不同的数据通道，因此在设计上，3号节点与1号节点通过数据通道0传输信号，与2号节点通过数据通道1传输信号。3号节点发出具有发送地址编码的射频信号被1，2号节点接收后，1，2号节点分别启动定时器计时并通过各自的数据通道返回应答信号给3号节点，表示通讯成功3号节点可以发出超声波信号。值得注意的是，3号节点若是启动自动重发功能，则每次重发等待时间为250 us，这将导致系统测量误差过大，因此该系统禁止自动重发，而是由软件编程重发3次，判断是否次数溢出或是接收到应答信号，这样可以将每次重发产生的误差控制在15 us左右。同时，图2在“1发出射频触发信号”及“4传输距离数据”两个过程中，射频通信均采用数据通道0进行数据通信，并且开启相应的自动重发功能2次，经测试系统射频通讯流程性能稳定。

3 实测数据分析

系统测试实验环境为室内地面，其中主控制节点（1号节点）坐标安装在原点（0，0）上，参考节点（2号节点）坐标安装在y轴点（0，100）上，单位为cm。测量工具为卷尺，精度精确达0.1 cm。对于测试平面上10个不同位置点分别测量10次，得到100个数据，结果见表2。

通过分析图中数据，可以得出以下实验结论。

（1）定位范围。

经过测试表明，该系统基本可以实现对于在地面上200 cm×200 cm的二维直角坐标系中移动节点的定位。

（2）系统的平均定位误差。

X轴的平均定位误差为3.01（cm）

Y轴的平均定位误差为3.14（cm）

（3）系统的平均定位精度。

X轴平均定位精度：（200.0-3.01）/200.0×100%=98.50%

Y轴平均定位精度：（200.0-3.14）/200.0×100%=98.43%

（4）误差分析。

通过实验测得数据并分析，系统测量误差主要来自以下几个方面：

①超声波信号的衰减问题。从表1及表2可以看到，虽然系统测量平均误差不算太高，但是针对不同的测量区域其测量误差明显不同，随着各节点之间距离的不同，超声波信号的衰减程度会不同导致接收到超声波信号的时间点不同，引入测量误差。

②超声波发射角问题。从表中数据可以看出，在区域边缘地带数据的测量误差偏高，由于超声波存在发射角度局限问题，导致超声波信号接收时间点不同引入测量误差。

③系统软件设计时，在3号节点发射同步射频信号和超声波过程中，禁止自动重发次数而采用软件编程发送次数溢出的方法在每次重发数据过程中需要等待15 us，总共软件设计为重发3次溢出，所以此处可能会引入50us左右的测量误差。

④数据算法计算。系统数值计算的精度也会引入测量误差。综合考虑系统测量要求，51系列单片机的运算能力及速度，以及软件整体的效率和整洁度。该次系统软件计算精度都采用16位无符号位整数数据类型，而未引入浮点数据类型计算，所以对最终显示结果会造成测量误差。

⑤温度引起误差。声速随温度变化关系可以表示为：V=（331.45+0.61t/℃）m·s-1。但是该系统中没有考虑温度补偿，而是以声速标准值340 m/s进行数据计算，因此会引入一定测量误差。

4 结语

该文设计了基于射频和超声波技术的室内二维定位系统，并通过设计得系统进行实际数据的测量，分析实验数据可以得出系统的误差较小。对于存在的误差提出了可能产生的原因以及后续的解决方法，期望通过后续的改进可以使实验误差进一步减少，测量范围也相应的增大。

参考文献

[1] 许国昌.GPS理论、算法和应用[M].北京：清华大学出版社，2011：2-5.

[2] 张凡，陈典铖，杨杰.室内定位技术及系统比较研究[J].广东通信技术，2012（11）：73-79.

[3] 汪苑，林锦国.几种常用室内定位技术的探讨[J].中国仪器仪表，2011（2）：54-57.

[4] 赵轩，马建，曹仁磊.基于nRF24L01的无线式模型车运动状态监控系统[J]. 科技导报，2010，28（2）：63-66.

[5] 江武志，许娜芬，普清民.基于nRF24 L01的小车自动识别红绿灯的设计[J].研究与开发，2011（10）：82-84.

[6] 刘志平，赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J].应用科技，2008（3）： 55-58.

[7] 陈丽娟，常丹华.基于nRF2401芯片的无线数据通信[J].电子器件，2006（12）：48-250.