基于单片机的超声波室内定位系统

高子晋

摘 要 文章主要介绍了一种基于超声波测距技术的室内定位系统的设计。硬件方面详细介绍了同步无线信号处理电路、超声波收发电路、温度补偿电路等。软件方面主要介绍了室内定位的算法、主控机程序流程以及测量点处单片机程序结构。

关键词 超声波测距；室内定位算法；程序流程

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）205-0138-02

随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定各种设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，如GPS技术、红外线技术、蓝牙技术、射频识别技术、超宽带技术、WiFi技术、ZigBee技术、超声波技术等。

超声波是一种频率超过20kHz的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性—反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，易于获得较集中的声能，可产生较大力量。可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

1 超声波测量的定位算法

超声波测量的定位也分为三球定位原理和三圆定位原理两种情况。

应用于三维坐标系统时称为三球定位原理，应用与二维坐标系统时称为三圆定位原理。它是利用超声波传感器能感超声波物理现象，把感知到的超声波的时间差作为测量数据来进行定位的。基于超声波测量的定位算法的原理图如图所示。

将超声波的时间差定义为一组声波数据。声波数据与声速的乘积就为声源到达测量点的实际距离，利用三组超声波数据，可以对目标进行三圆定位。三圆定位法中目标的位置是由以各站为圆心，以各站同时测量目标的距离为半径的三个圆的交点来确定。

2 超声波室内定位系统硬件电路设计

超声波室内定位系统由主系统和携带机系统两部分构成，主系统由上位机、通信控制器、单片机、无线发射电路、超声波接收电路组成：

室内放置至少3个测量点，测量点包括测温模块、超声波接收设备，信号处理部分。主系统需要一台用于计算与显示的计算机。被跟踪的物体携带无线接收模块，超声波发射模块和信号控制部分。首先，由计算机发射无线电信号，同时计算机通知各个控制点开始计时。当被跟踪的物体接收到无线电信号后，和自己ID进行比较，确认ID后，由信号控制部分控制超声波发射模块发射超声波。当测量点接收到超声波后停止计时，并由信号处理部分把时间、室内温度等数据打包，接到计算机可传送数据命令后传回给计算机。采用RS—442接口完成计算机和控制点的通讯。当相关数据传送完毕后，主控制系统开始计算并把计算结果显示在计算机上。由于一个控制点只能完成本控制点与物体之间距离的测量。所以只能确定物体在以此控制点为圆心，测得的距离为半径的球面上。两个点则相当于两球面相交，可确定物体在一个圆上。三个点则相当于两个园相交，可确定物体在以3测量点为对称面一上一下的两个点。由于本系统是室内定位，将对称面置于地面则可排除对称面下方点坐标。因此本系统至少需要3个不在同一直线上的测量点。

3 系统软件设计

主控机程序功能主要是通过串口向测量点的单片机传送数据包，控制单片机完成测量功能。测量完成后，再通过串口接收回传数据。在主控机内部完成计算，最终完成测量结果显示。

本系统设定用RS—422接口完成计算机与测量点中单片机之间的通讯。首先，由计算机发送无线电信号。同时各个测量点开始计时。当被跟踪的物体接收到无线电信号后，确认ID，与自身工D匹配后，由信号控制部分控制超声波发射模块发射超声波。当测量点1接收到超声波后停止计时，由信号处理部分把时间，室内温度等参数传回给主控计算机，用于数据处理，最终在计算机上显示。相关数据传送完毕后，控制点2开始如上过程。依次类退，直至所需控制点3完成数据传送。再從控制点1开始下一次测量。

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