尹梦雪

摘 要：随着经济的快速发展和业务的不断扩充，人们对定位和导航的需求也越来越大，但是，市场上的定位工具很难满足人们对精确度的要求。简要介绍了将声波与射频技术相结合完成定位工作一种方案，利用时间差测距，预计定位精度为20～50 mm，以期为日后的相关工作提供参考。

关键词：室内定位；超声波；电磁波；时间差

中图分类号：TN92 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.009

1 方案概述

定位装置包括发射装置和接收装置两部分。发射装置同时发射电磁波和超声波信号，接收装置从接收到电磁波信号开始计时，到第一次收到声波信号为止，由此得到Δt，接收装置据此计算出其与发射装置的距离。至此，分别得到3个不同发射装置的坐标和接收装置到发射装置的距离，即可算出接收装置在空间中的坐标。

2 定位原理

定位装置的定位原理如图1所示。

室内环境是三维立体空间，传感器节点有2种，分别为发射器和接收器节点，如图2所示，则假设发射器2节点之间的距离为L，坐标为（x，y，z），其中，x>0，y≥0，z≥0. 由于该节点发射的超声波信号方向性比较强，所以，需要合理布置发射器的节点位置。经过计算，发射器距离接收器节点平面至少要保持大约180 cm的距离。

如图3所示，超声波信号到达接收器的路径有2条，分别是直接到达的路径P1和通过反射到达的路径P2。假设2条路径分别为L1和L2，信号沿这2条路径到达接收器的时间间隔为T，例如L1-L2=2 m，T=（L2-L1）/V，则T≈6 ms。

设超声波发射器与接收器之间的距离为R，则传播时间为R/V。超声波发射的脉冲持续宽度是Tus，则超声信号可以在时间Dus=R/V+Tus内消失。因此，发射器的超声信号在时间间隔Dus内将消失，发射器发射的RF信号由于时间短也会消失，即如果2个发射器信号传播的间隔时间大于Dus，那么，接收器在接收信号时不会产生干扰。在规定的距离内，本文采取将发射器的发射时间间隔调为最小Dus的方法将发射器之间的干扰最小化。

在静态过程中，接收器可以同时接收3个及以上的发射器信号，并通过式（1）得到距离值。式（1）为：

3 硬件结构

3.1 微控模块

该方案选用P89V51芯片，芯片核心处理单元为80C51。

3.1.1 考虑到测量精度

由于测距的误差要求小于1 mm，超声波速度C=344 m/s（在20 ℃室温下），则测距误差△t<（0.001/344）≈0.000 002 907 s=2.907 μs。只要保证时间差达到微秒级，那么，测距误差就可以小于1 mm。因此，系统采用89C51定时器能保证时间误差在1 mm的测量范围内。

3.1.2 电源模块

直接使用市面上销售的手机充电器，从220 V民用电中得到5 V直流电。

3.1.3 串行通信模块

串行通讯电路存在于控制系统的发射端和接收端，用于接收PC机发出的指令，并调试程序。

3.2 RF模块

RF模块主要用于实现信号的发射和接收。该模块的作用是通过信号发射和接收芯片CC1100来实现的。在该系统中，设置该芯片的频率为433 MHz，这样可以实现高效率、高可靠性的数据传送。

控制过程可以分为参数初始化配置、接收数据和发射数据3部分。

3.3 超声波发射模块

多谐振荡电路输出信号是由时基电路及其外围元件构成的。由于超声波传感器的中心频率为40 kHz，所以，要求驱动发射头的信号频率也必须为40 kHz。在理想情况下，驱动信号应为正弦波形或占空比为1的方波。在发射探头允许的电压范围内，驱动信号的幅值要尽量大，这样才可以获得较大的发射功率，进而扩大系统的测量范围。

3.4 超声波接收模块

该系统的超声检测电路采用集成芯片CX20106A。这是一款用于接收红外线检波的专用芯片，它是由前置放大器、陷波放大器电路、带通滤波电路、陷波放大器电路、波形整形电路和峰值滤波器等组成。常用的载波频率为38 kHz，与测距所有的超声波频率40 kHz比较接近，因此，可以把它作为超声检波电路。当超声波接收端接收到40 kHz的方波信号时，超声信号会转换成电信号。这个信号经过CX20106A放大、滤波、整形后输出负脉冲电压，驱动放大器将信号送入单片机的外部中断口。单片机在得到外部中断请求后，会转入外部中断的中断服务程序作处理。

3.5 温度补偿模块

因为声速对温度变化的表现比较敏感，并且室内昼夜有一定温差，所以，为了减小测距误差，温度补偿是不可忽略的。

声速修正采用式（2）修正：

本文利用温度传感器DS18B20测量温度。

4 结论

在复杂的室内环境中，比如地下停车场、大型超市和图书馆等，经常需要获取移动终端或其持有者和室内物品的位置信息。因此，厘米级室内定位的研究与应用是非常重要的，这也是当下的热点问题，而且其市场需求空间非常广。

〔编辑：白洁〕