林盈洪 楊意 鄭奮立 鐘嘉誠

摘 要：該文通過對比幾種常用室內定位（In-location）方法，設計并實現了基于射頻和超聲波技術相結合的室內二維定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用C51系列單片機為主控芯片，nRF24L01芯片作為射頻通訊芯片，結合超聲波發(fā)射與接收電路，融合射頻和超聲技術對二維平面上一點的位置信息進行獲取，并通過LCD12864進行測量結果的顯示。文章詳細的分析了系統(tǒng)的工作原理并進行了測量電路的設計，由實際測量的數據對結果進行誤差分析可知，測量數據誤差在2%以內。

關鍵詞：射頻 超聲波 參考節(jié)點 室內定位

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（c）-0002-03

眾所周知，對于室外定位系統(tǒng)，全球定位系統(tǒng)（GPS）[1]已經應用的成熟可靠，目前常用的車用導航、物流定位等大多數都利用的是此原理。但是對于室內定位，例如機場大廳、礦井內部、大型展廳內部、大型室內停車場以及大型購物商場，由于室內環(huán)境復雜多變，建筑物的結構，內部布局，以及人為因素等影響，所以實現精確定位的難度較大。目前諾基亞、谷歌、博通甚至一些知名大學比如美國杜克大學（Duke University）和芬蘭奧盧大學（University of Oulu）都有專門研究室內定位的小組。美國研究機構ABI稱：“室內定位技術（In-location）是下一波熱門定位技術，該技術將在2015年-2017年間得到大量部署和實施，是今后移動互聯(lián)網領域的一個關鍵環(huán)節(jié)?！?目前室內定位常用的方法有紅外線室內定位技術、超聲波定位技術、藍牙定位技術、射頻識別定位技術和超寬帶定位技術等。表1[2]分析了幾種常見無線定位系統(tǒng)的性能表，參照表1，該文設計了基于51單片機使用超聲波和無線射頻相結合進行室內定位的測量系統(tǒng)，可以有效結合兩種方法的優(yōu)點，設計思路清晰，成本較低。根據實際測量結果分析，系統(tǒng)采樣穩(wěn)定，數據誤差較小，具有一定的現實意義。

1 系統(tǒng)的設計思想及原理

由于射頻信號傳輸速率接近光速，遠高于超聲波傳播速率，因此可以利用射頻信號先激活待測節(jié)點，之后使其接收超聲波信號，利用時間差的方法進行測距。這種技術成本低，功耗小，精度高[3]。該文便是采用此種方法實現在二維平面內對一待測節(jié)點位置信息的獲取。

1.1 系統(tǒng)設計原理

如圖1所示。在一個二維平面中，要確定某未知點的位置信息，其實質便是求得其在平面坐標中的坐標值。由數學知識可以知道，確定平面上某一未知點（x，y）的坐標值只需要知道該點到平面坐標中已知的兩個參考點（x1，y1），（x2，y2）的距離d1及d2，再利用兩點間的距離公式（1）式，求解方程組即可求得未知點的坐標信息。

（1）

系統(tǒng)的關鍵就是通過超聲波測出圖1中的距離d1及d2，現在假設系統(tǒng)某一節(jié)點A具備射頻發(fā)射模塊和超聲波發(fā)射電路，系統(tǒng)另一節(jié)點B具備射頻接收模塊及超聲波接收電路。A節(jié)點同時發(fā)射超聲波與射頻信號，即發(fā)射電磁波。由于電磁波的速度接近光速遠遠大于超聲波在介質中的傳播速度，射頻信號傳播到節(jié)點B的時間忽略不計，當節(jié)點B接收到射頻信號時，啟動計時，當接收到超聲波信號時停止計時。時間間隔t即是超聲波由A傳播到B所用時間。設聲速為V，則A，B間距離為：。

1.2 系統(tǒng)整體設計

該文系統(tǒng)采用C51系列單片機作為控制芯片，nRF24L01作為射頻通信芯片，利用LCD12864液晶屏進行坐標顯示。如圖2所示。系統(tǒng)主要包括三個節(jié)點，分別為1號總控制主節(jié)點，2號參考節(jié)點，以及3號待測節(jié)點。硬件設計上，各個節(jié)點都包括51單片機最小系統(tǒng)及上電指示電路，射頻收發(fā)模塊（nRF24L01）電路；另外總控制節(jié)點和參考節(jié)點具備超聲波接收電路，待測節(jié)點處安裝超聲波發(fā)射電路。

系統(tǒng)整體通信流程簡述如下：1號總控制主節(jié)發(fā)出射頻觸發(fā)信號，3號待測節(jié)點接收到射頻信號之后報警指示燈亮。同時發(fā)射出射頻同步信號及發(fā)射超聲波。射頻同步信號很快到達1號總控制節(jié)點及2號參考節(jié)點，兩個節(jié)點啟動計時器，待3號節(jié)點發(fā)射的超聲波分別到達1號節(jié)點和2號節(jié)點后，接收到超聲波信號，停止計時。分別獲得超聲波由3號節(jié)點到1號節(jié)點及2號節(jié)點的傳播時間。1號節(jié)點總控制節(jié)點計算出節(jié)點1，3距離。2號節(jié)點參考節(jié)點計算出節(jié)點2，3距離，再利用射頻模塊將數據無線傳送給1號總控制節(jié)點?？偪刂乒?jié)點再依據兩個距離數據，已知的節(jié)點1，2的坐標計算出3號待測節(jié)點的位置坐標。至此，完成系統(tǒng)一個單程通信，如此反復通信10次，求得位置坐標平均值通過1號節(jié)點處的液晶顯示模塊LCD12864顯示待測節(jié)點位置信息。所有的通信流程由1號總控制節(jié)點控制。

2 系統(tǒng)電路設計

2.1 硬件設計

硬件設計上，文中系統(tǒng)主要涉及單片機小系統(tǒng)，射頻收發(fā)電路，超聲波發(fā)射與接收電路，LCD顯示電路，射頻收發(fā)模塊供電電路。這里主要介紹系統(tǒng)的射頻收發(fā)電路，超聲波發(fā)射與接收電路。

系統(tǒng)無線通信模塊的發(fā)射與接收主要采用nRF24L01芯片作為主控核心。nRF 24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置[4]。由于采用SOC方法設計因此只需要少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路，再配合簡單的通信協(xié)議，就可以實現無線數據傳輸[5]。將nRF24L01相應的控制引腳連接到單片機的P1口上，利用串行通信方式與單片機進行通訊，可以設置為增強型模式（ShockBurst）下的接收或是發(fā)射狀態(tài)，啟動自動應答及自動重發(fā)功能。采用nRF24L01增強型模式時內部芯片堆棧區(qū)先入先出，數據可從低速微控制器送入，高速發(fā)射出去，地址和校驗碼由硬件自動添加和去除[6]，可以提高系統(tǒng)整體的性能和效率[7]。

系統(tǒng)超聲波發(fā)射電路框圖如圖3所示。系統(tǒng)利用定時器由單片機的I/O端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號，信號送給推挽式功放電路進行功率放大，用以驅動型號為TCT40-16T的超聲波換能器，發(fā)射出超聲波信號。

系統(tǒng)超聲波接收電路框圖如圖4所示。接收電路的核心是紅外線檢波接收專用芯片CX20106。由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz比較接近，可通過外接電阻微調芯片內部濾波器的中心頻率。當超聲波探頭未接收到40 kHz信號時，芯片信號輸出引腳為高電平；當接收到與CX20106中心頻率（40 kHz）相符的超聲波信號時，信號輸出引腳輸出下降沿脈沖，將此信號連接到單片機外部中斷引腳上，可觸發(fā)中斷，從而停止超聲波傳播計時。

2.2 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計流程圖可以參考圖2。系統(tǒng)軟件按功能劃分可以分為LCD顯示，超聲波發(fā)射，射頻通訊，坐標計算幾大部分。其中，LCD顯示部分主要是通過時序對液晶屏進行相應的讀寫操作，超聲波發(fā)射部分采用定時器中斷產生40 K方波信號，坐標位置計算算法依據的公式（1）進行計算。下文主要針對射頻通訊部分所進行的軟件配置進行簡述說明。

在圖2的“3射頻同步信號&超聲波信號”過程中，系統(tǒng)各節(jié)點射頻收發(fā)配置如圖5所示。由于nRF24L01在每個通訊頻道上具有6個不同的數據通道，因此在設計上，3號節(jié)點與1號節(jié)點通過數據通道0傳輸信號，與2號節(jié)點通過數據通道1傳輸信號。3號節(jié)點發(fā)出具有發(fā)送地址編碼的射頻信號被1，2號節(jié)點接收后，1，2號節(jié)點分別啟動定時器計時并通過各自的數據通道返回應答信號給3號節(jié)點，表示通訊成功3號節(jié)點可以發(fā)出超聲波信號。值得注意的是，3號節(jié)點若是啟動自動重發(fā)功能，則每次重發(fā)等待時間為250 us，這將導致系統(tǒng)測量誤差過大，因此該系統(tǒng)禁止自動重發(fā)，而是由軟件編程重發(fā)3次，判斷是否次數溢出或是接收到應答信號，這樣可以將每次重發(fā)產生的誤差控制在15 us左右。同時，圖2在“1發(fā)出射頻觸發(fā)信號”及“4傳輸距離數據”兩個過程中，射頻通信均采用數據通道0進行數據通信，并且開啟相應的自動重發(fā)功能2次，經測試系統(tǒng)射頻通訊流程性能穩(wěn)定。

3 實測數據分析

系統(tǒng)測試實驗環(huán)境為室內地面，其中主控制節(jié)點（1號節(jié)點）坐標安裝在原點（0，0）上，參考節(jié)點（2號節(jié)點）坐標安裝在y軸點（0，100）上，單位為cm。測量工具為卷尺，精度精確達0.1 cm。對于測試平面上10個不同位置點分別測量10次，得到100個數據，結果見表2。

通過分析圖中數據，可以得出以下實驗結論。

（1）定位范圍。

經過測試表明，該系統(tǒng)基本可以實現對于在地面上200 cm×200 cm的二維直角坐標系中移動節(jié)點的定位。

（2）系統(tǒng)的平均定位誤差。

X軸的平均定位誤差為3.01（cm）

Y軸的平均定位誤差為3.14（cm）

（3）系統(tǒng)的平均定位精度。

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

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

（4）誤差分析。

通過實驗測得數據并分析，系統(tǒng)測量誤差主要來自以下幾個方面：

①超聲波信號的衰減問題。從表1及表2可以看到，雖然系統(tǒng)測量平均誤差不算太高，但是針對不同的測量區(qū)域其測量誤差明顯不同，隨著各節(jié)點之間距離的不同，超聲波信號的衰減程度會不同導致接收到超聲波信號的時間點不同，引入測量誤差。

②超聲波發(fā)射角問題。從表中數據可以看出，在區(qū)域邊緣地帶數據的測量誤差偏高，由于超聲波存在發(fā)射角度局限問題，導致超聲波信號接收時間點不同引入測量誤差。

③系統(tǒng)軟件設計時，在3號節(jié)點發(fā)射同步射頻信號和超聲波過程中，禁止自動重發(fā)次數而采用軟件編程發(fā)送次數溢出的方法在每次重發(fā)數據過程中需要等待15 us，總共軟件設計為重發(fā)3次溢出，所以此處可能會引入50us左右的測量誤差。

④數據算法計算。系統(tǒng)數值計算的精度也會引入測量誤差。綜合考慮系統(tǒng)測量要求，51系列單片機的運算能力及速度，以及軟件整體的效率和整潔度。該次系統(tǒng)軟件計算精度都采用16位無符號位整數數據類型，而未引入浮點數據類型計算，所以對最終顯示結果會造成測量誤差。

⑤溫度引起誤差。聲速隨溫度變化關系可以表示為：V=（331.45+0.61t/℃）m·s-1。但是該系統(tǒng)中沒有考慮溫度補償，而是以聲速標準值340 m/s進行數據計算，因此會引入一定測量誤差。

4 結語

該文設計了基于射頻和超聲波技術的室內二維定位系統(tǒng)，并通過設計得系統(tǒng)進行實際數據的測量，分析實驗數據可以得出系統(tǒng)的誤差較小。對于存在的誤差提出了可能產生的原因以及后續(xù)的解決方法，期望通過后續(xù)的改進可以使實驗誤差進一步減少，測量范圍也相應的增大。

參考文獻

[1] 許國昌.GPS理論、算法和應用[M].北京：清華大學出版社，2011：2-5.

[2] 張凡，陳典鋮，楊杰.室內定位技術及系統(tǒng)比較研究[J].廣東通信技術，2012（11）：73-79.

[3] 汪苑，林錦國.幾種常用室內定位技術的探討[J].中國儀器儀表，2011（2）：54-57.

[4] 趙軒，馬建，曹仁磊.基于nRF24L01的無線式模型車運動狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 科技導報，2010，28（2）：63-66.

[5] 江武志，許娜芬，普清民.基于nRF24 L01的小車自動識別紅綠燈的設計[J].研究與開發(fā)，2011（10）：82-84.

[6] 劉志平，趙國良.基于nRF24L01的近距離無線數據傳輸[J].應用科技，2008（3）： 55-58.

[7] 陳麗娟，常丹華.基于nRF2401芯片的無線數據通信[J].電子器件，2006（12）：48-250.