基于nRF2401无线收发模块及超声波技术的精确定位系统的研制文库.docx

1、基于nRF2401无线收发模块及超声波技术的精确定位系统的研制文库 本文由金凤凰2011贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 集成电路应用 基于 无线收发模块和 超声波技术的精确定位系统的研制 李国华， 沈树群 （ 北 京 邮 电 大 学 电 子 工 程 学 院 ， 北 京 ） 摘 要 ： 精 确 的 位 置 信 息 是 实 现 普 适 计 算 的 要 求 。 出 了 基 于 无 线 收 发 模 块 和 超 声 波 技 提 术 的 精 确 定 位 系 统 的 组 成 框 架 和 定 位 算 法 ； 并 给 出 了 基 于 无 线 收 发 模

2、 块 组 成 传 感 器 网 络 的 协 议 和 超 声 波 收 发 时 间 差 的 修 正 方 案 。 关键词： 超声波定位 普适计算 无线电收发模块 媒体接入控制 随着计算机技术和无线电通信技术的发展， 普适计 算 （ ） 将 被 应 用 在 各 种 领 域 ， 融 入 到 人 们的日常生活中， 提高人们的生活质量和水平。普适计 算的一个前题条件是必须获取普适计算对象的位置信 息 ， 这 个 位 置 信 息 依 据 普 适 计 算 的 不 同 应 用 ， 可 以 是 基于区域范围的， 也可以是基于精确坐标的。 有很多定位技术都可以对物体进行定位， 但适合普 适计算要求的、 多个移动物体精确

3、定位的、 子系统 对 电 复 杂 性 低 的 技 术 却 并 不 多 。 普 适 计 算 的 应 用 环 境 一 般 在室内， 并且要求定位精度达到厘米级， 定位系统必须 能很方便地在空间布置。 于无线收发模块和超声波技 基 术的精确定位系统是一种可行的适合普适计算要求的 定位系统。本系统的特点是电子系统复杂性低， 容易实 现且成本低； 定位精度高， 容错性能好； 定位信标体积 小， 可以附着在任何需要定位的移动或不移动物体上； 除了被定位物体策动定位请求外， 还允许外部网络策动 定位请求和监控被定位物体。 图 定位系统的组成 超声波 信标节点 普通节点 中心节点 普通节点 收发 模 块 、

4、超 、 声 波 接 收 头 和 电 源 等 组 成 ； 而 中 心 与 节 点 则 由 无 线 收发 模 块 、 、 外 部 网 络 （ 可 用 于 策 动 定 位 请 求 和 监 视 追 踪 目 标 ）的 接 口 等 几 部 分 组 成 ， 具 有 极强的计算能力， 用于控制定位系统中超声波发射和接 收 的 同 步 。每 个 普 通 节 点 的 空 间 位 置 在 这 个 定 位 系 统 构 筑期间已经确定， 并存储在中心节点内。定位请求可以 由外部网络通过中心节点发起， 也可以由被定位物体通 过其附着的超声波信标节点发起， 分别如图 和图 所 定位系统的组成 定 位 系 统 的 组 成 如

5、 图 所 示 。超 声 波 信 标 节 点 由 无 线 收发 模 块 、 超 与 、 声 波 发 射 头 、 被 定 位 物 体 通 信 的接口和电源等组成； 传感器节点（ 即普通节点） 由无线 ! （ 接上页） 参考文献 陈 培 玉 ， 阙 沛 文 并 口 与 的 接 口 设 计 电 测 与 仪 表 ， ； （ ） 张 斌， 姚英学， 陈朔东 复合式光电编码器信号处理电路 的 设 计 机 械 工 程 师 ， ； （ ） 仪 表 学 报 ， ； （ ） 张 志 明 ， 李 蓉 艳 ， 王 磊 等 精 度 频 率 信 号 采 集 测 试 系 统 仪 器 仪 表 学 报 ， ； （ ） 林 凯 ，

6、 何 川 ， 毛 乐 山 基 于 的 多 通 道 振 动 测 试 与 分 析 系 统 清 华 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） ， ； （ ） （ 收 稿 日 期 ： ） 侯 俊 勇 高 速 高 精 度 频 率 测 量 系 统 的 实 现 仪 器 欢迎网上投稿 电子技术应用 年第 期 集成电路应用 为 该 ， 这 与 左 右 的 超 声 波 测 距 能 力 相 当 。 模 块 是 收 发 半 双 工 的 ， 总 共 个 频 道 ， 频 道 可 以 编 程 设 置 ， 频 道 间 隔 为 ， 频 道 切 换 时 间 ， 还 可 以 对 同 频 道 上 工 作 的 模 块 进 行 编 址

7、 。 该 模 块 支 持 工 作 模 式 ， 即 利 用 片 上 ， 无 线 收 发 的 数 据 速 率 可 达 ， 而 无 线 收 发 模 块 与 的 数 据 交 换 速 率 则 可 图 外部网络发起的定位请求图 以 是 低 速 的 ， 如 。 这 样 做 的 好 处 是 减 少 了 无 线 电 波发射时间、 低了能耗和空中无线电波发生冲突的机 降 会 ， 另 外 也 降 低 了 对 的 速 度 要 求 。 该 模 块 还 支 持 模 式 ， 通 过 一 根 天 线 同 时 接 收 两 个 频 道 的 数 据 （ 第 一 个 频 道 可 收 可 发 ， 设 为 ； 第 二 个 频 道 只 收

8、 不 发 ， 且 必 为 ） ， 并 且 两 路 数 据 独 立 地 以 三 线 制 方 式 输 出 。 其 它 参 数 和 功 能 可 参 见 参 考 文 献 。 依据无线收发模块的上述功能和参数以及定位系统 图 被定位物体发起的定位请求图 所要达到的功能， 本系统的无线通信采用简单的单跳直接 通 信 （ 包 括 上 行 和 下 行 ）， 因 此 网 络 层 相 对 比 较 简 单 ； 由 于 收发模块的半双工工作模式和无线电信道的竞争， 本系统 的 媒 体 介 入 层 （）较 复 杂 ， 如 图 所 示 。 超 声 定位公告结果 波 信 标 节 定位请求 点 收 ： 恢 复 和 发 ： 重

9、 配 置 示 。 定 位 请 求 的 主 要 内 容 是 被 定 位 物 体 的 。 无论是谁发起的定位请求， 当中心节点收到定位请 求 时 ， 马 上 以 广 播 方 式 发 布 定 位 公 告 （内 容 包 含 被 定 位 物 体 的 和 发 起 源 标 志 ） 。超 声 波 信 标 节 点 收 到 与 其 所 附 物 体 相 同 的 定 位 公 告 后 ， 马 上 发 射 超 声 波 信 标 ； 而 普 通 节 点 （ ） 收 到 定 位 公 告 后 ， 便 启 动 计 时 器 并 接 收超声波信号。普通节点一旦接收到超声波信号， 马上 停 止 计 时 器 ， 此 刻 计 时 器 对 应

10、 的 时 间 就 是 该 普 通 节 点 测得的超声波收发时间差。 个普通节点把它所测得的 每 时间差发送给中心节点， 由中心节点来完成定位计算。 中 心 节 点 定位公告 普 通 节 点 时间差 定位算法 定 位 算 法 是 在 定 位 系 统 的 中 心 节 点 完 成 的 。超 声 波 的传播速度为： 收 ： 和 发 ： 收 ： 发 ： 图 定 位 系 统 的 ? ! （） （） 中 心 节 点 的 第 一 频 道 设 置 为 ， 并 且 半 双 工 可 发 可 收 ， 而 第 二 频 道 （ 必 为 ） 设 置 为 可 收 ， 但两个频道平时都在收状态。 通节点的第一频道设置 普 为

11、， 并且半双工可发可收， 而第二频道 （必为 ） 不 用 。 普 通 节 点 平 时 处 在 收 状 态 ， 而 在 需 要 发 送 时 ， 普 通 节 点 依 据 预 定 义 的 时 隙 （ 与 其 关 联 ） 时 分 发 送 （） 。 信 标 节 点 的 第 一 频 道 设 置 为 ， 而 第 二 频 道 必 为 ， 平 时 都 设 置 为 收 状 态 。 当 信 标 节 点 发 定 位 请 求 时 ， 它 的 无 线 收 发 模 块 的 第 一 频 道 （因 为 只 有 第 一 频 道 才 能 发 ） 被 重 配 置 为 ， 与 中 心 节 点和其它处在收状态的信标节点的第二频道相对应。

12、 这 样做的真正目的是为了不干扰中心节点可能同时在 式中， 为环境摄氏温度。 假 定 被 定 位 物 体 的 三 维 坐 标 为 （ ，） 和 至 少 有 四 个传感器节点不在同一平面上， 则被定位物体到传感器 节 点 的 距 离 为 ： ? !（ ） （ ） （ ） （， 且 ） （） 很 明 显 ， （） 式 是 一 组 非 线 性 超 定 方 程 ， 被 定 位 物 体 的三维坐标估计值可用最小二乘法求出： ! ! ! （ ， ， ） （ ， ， ） $# （ !（ ）（ ）（ ） ） % （） 可 以 证 明 ， 只 要 每 个 传 感 器 节 点 对 的 测 量 误 差 ? 都 满

13、足 （ ， ! ） 且 相 互 独 立 ， 则 （） 式 的 结 果 是 最 大 似 然 估计。随着 的增加， 它将是无偏估计。 上 发 的 由 外 部 网 络 策 动 的 定 位 公 告 ， 保 证 外 部 网 络 的定位请求优先， 而不与移动物体的定位请求竞争。定 位 请 求 发 送 完 毕 后 ， 第 一 频 道 恢 复 为 ， 此 时 第 二 频 道 也 恢 复 为 。 很 显 然 ， 信 标 节 点 的 第 二 频 道 为 时， 可用于监听别的信标节点的定位请求。 即使这样， 信标节点发出定位请求后仍然可能发生 碰撞， 而收不到相应的定位公告。 原因有二： 其一是由 其 定位系统的具

14、体设计与实现 考 虑 到 低 成 本 和 小 型 化 的 需 要 ， 本 系 统 选 用 公 司 的 单 片 无 线 收 发 模 块 构 成 无 线 传 感 器 网 络 。该 模 块 工 作 在 的 频 段 上 ， 典 型 输 出 功 率 为 ， 接 收 灵 敏 度 为 ， 无 线 传 输 距 离 电子技术应用 年第 期 本 刊 邮 箱 # 集成电路应用 表 与测量时间差有关的事件及对应时刻 中 心 节 点 发 布 定 位 公 告 （ ） 电 波 到 达 普 通 节 点 接 收 天 线 普通节点的无线收发模块接收解调 处 理 ， 置 接 收 数 据 可 读 标 志 普 通 节 点 的 读 数

15、据 、 相 关 作 处 理 ； 启 动 定 时 器 电 波 到 达 信 标 节 点 接 收 天 线 信标节点的无线收发模块接收解调 说 明 电 波 比 声 波 快 百 万 倍 ， 相同的收发模块， 处理时间和延迟 时 间 应 相 同 ， 因 此 两 者 的 处 理 流 程 不 一 样 ， ! 处 理 ， 置 接 收 数 据 可 读 标 志 信标节点的 读数据、 作判断； ! 启 动 超 声 波 发 射 驱 动 电 路 超 声 波 开 始 发 射 超声波到达普通节点的超声波 接 收 头 驱动电路延迟和超声波发射头响应延迟 ! ! ! 普 通 节 点 的 超 声 波 接 收 头 响 应 到达的超声

16、波信号 ， 电路放大 超声波接收头响应延迟、 大电路延迟 放 和门限域值延迟 ! 比 较 ， 置 定 时 器 停 止 计 时 标 志 普通节点的 响应停止计时标志 响 应 延 迟 无线收发 模 块 半 双 工 的 工 作 方 式 造 成 的 ， 信 标 节点在发定位请求的同时， 中心节点正在发外 部网络策动的定位公告； 其二是无线电波碰撞， 两个或多个信标节点同时发定位请求。为有效 解决这个问题， 本系统规定信标节点在发出定 位请求后的一段时间内收不到与其对应的定位 公 告 时 ， 随 机 延 迟 若 干 个 定 位 周 期 ， 在 其 和 上 均未监听到信号后， 重发定位请求。随机延迟定位周

17、期 数 的 取 值 范 围 依 据 系 统 的 信 标 节 点 数 量 （或 者 最 大 可 容 纳 的 数 量 ）和 正 常 情 况 下 一 个 信 标 节 点 被 请 求 定 位 的 频 度来确定。 在 特 殊 情 况 下 ， 无 线 收发 模 块 半 双 工 的 工 作 方 式 还会造成中心节点在发出外部网络策动的定位公告后 系统收不到超声波信标， 也就是中心节点发外部网络策动的定位公告的同时， 与这个定位公告对应的被定位物 体正在发定位请求。发生这种情况的概率极低， 信标节 点 的 处 理 方 法 同 上 （因 为 信 标 节 点 也 收 不 到 对 应 的 定 位 公 告 ）， 而

18、中 心 节 点 在 等 不 到 超 声 信 标 后 ， 出 现 空 闲 时 就 重发定位请求。 图 实际位置与测量值之间的距离差 用 代 替 （） 式 和 （） 式 中 的 ， 经 过 计 算 将 得 到 更 准确的被定位物体的坐标。 实验结果和结论 很显然，本系 统可以 独立 存在 和运行 ， 可以 广泛应 用 于 其 它 需 要 精 确 定 位 的 系 统 中 。图 显 示 了 一 个 定 位 目 标使用本系统测定位置时， 测量值和实际值之间的距离 差； 实验结果表明本系统达到了设计目标。影响定位精 度的因素主要来源于应用环境的温度梯度、 速和超声 风 波 的 传 播 路 径 等 。 参考

19、文献 付 维 权 ， 孙 志 仁 ， 曹 奇 英 普 适 计 算 中 的 定 位 感 知 系 统 单 片 机 与 嵌 入 式 系 统 应 用 ， （ ） ： 超声波收发时间差的修正 为了准确地测出被定位物体的精确坐标， 超声波的 收发时间差必须测得非常准确。 是中心节点发出定 表 位公告后， 与测量时间差有关的事件及对应时刻。 在 普 通 节 点 中 定 时 器 获 得 的 时 间 差 是 。 很 明 显， 这不是超声波所测距离的传播时间， 真正的传播时 间 应 为 。测 出 每 一 步 的 时 延 ， 然 后 再 计 算 出 超 声 波所测距离的真正传播时间是复杂和不现实的。 要让 只 普通

20、节点的超声波接收头与信标节点的超声波发射头 零距离， 运行一次， 读取普通节点中定时器的值 校正 杜高社， 高 玮， 赵 琳 脉冲激光测距中时间放大技术实 验 研 究 应 用 光 学 ， ； （ ） ： 林 志 斌 ， 徐 柏 龄 基 于 传 声 器 阵 列 的 声 源 定 位 电 声 技 术 ， （）： ： ： （ 收 稿 日 期 ： ） ，则 系统正式运行时， 超声波所测距离的真正传播时间为： 校正 （） 欢迎网上投稿 电子技术应用 年第 期 1本文由金凤凰2011贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 集成电路应用 基于 无线收发模块和

21、 超声波技术的精确定位系统的研制 李国华， 沈树群 （ 北 京 邮 电 大 学 电 子 工 程 学 院 ， 北 京 ） 摘 要 ： 精 确 的 位 置 信 息 是 实 现 普 适 计 算 的 要 求 。 出 了 基 于 无 线 收 发 模 块 和 超 声 波 技 提 术 的 精 确 定 位 系 统 的 组 成 框 架 和 定 位 算 法 ； 并 给 出 了 基 于 无 线 收 发 模 块 组 成 传 感 器 网 络 的 协 议 和 超 声 波 收 发 时 间 差 的 修 正 方 案 。 关键词： 超声波定位 普适计算 无线电收发模块 媒体接入控制 随着计算机技术和无线电通信技术的发展， 普适计

22、 算 （ ） 将 被 应 用 在 各 种 领 域 ， 融 入 到 人 们的日常生活中， 提高人们的生活质量和水平。普适计 算的一个前题条件是必须获取普适计算对象的位置信 息 ， 这 个 位 置 信 息 依 据 普 适 计 算 的 不 同 应 用 ， 可 以 是 基于区域范围的， 也可以是基于精确坐标的。 有很多定位技术都可以对物体进行定位， 但适合普 适计算要求的、 多个移动物体精确定位的、 子系统 对 电 复 杂 性 低 的 技 术 却 并 不 多 。 普 适 计 算 的 应 用 环 境 一 般 在室内， 并且要求定位精度达到厘米级， 定位系统必须 能很方便地在空间布置。 于无线收发模块和超

23、声波技 基 术的精确定位系统是一种可行的适合普适计算要求的 定位系统。本系统的特点是电子系统复杂性低， 容易实 现且成本低； 定位精度高， 容错性能好； 定位信标体积 小， 可以附着在任何需要定位的移动或不移动物体上； 除了被定位物体策动定位请求外， 还允许外部网络策动 定位请求和监控被定位物体。 图 定位系统的组成 超声波 信标节点 普通节点 中心节点 普通节点 收发 模 块 、 超 、 声 波 接 收 头 和 电 源 等 组 成 ； 而 中 心 与 节 点 则 由 无 线 收发 模 块 、 、 外 部 网 络 （ 可 用 于 策 动 定 位 请 求 和 监 视 追 踪 目 标 ）的 接 口

24、 等 几 部 分 组 成 ， 具 有 极强的计算能力， 用于控制定位系统中超声波发射和接 收 的 同 步 。每 个 普 通 节 点 的 空 间 位 置 在 这 个 定 位 系 统 构 筑期间已经确定， 并存储在中心节点内。定位请求可以 由外部网络通过中心节点发起， 也可以由被定位物体通 过其附着的超声波信标节点发起， 分别如图 和图 所 定位系统的组成 定 位 系 统 的 组 成 如 图 所 示 。超 声 波 信 标 节 点 由 无 线 收发 模 块 、 超 与 、 声 波 发 射 头 、 被 定 位 物 体 通 信 的接口和电源等组成； 传感器节点（ 即普通节点） 由无线 ! （ 接上页）

25、参考文献 陈 培 玉 ， 阙 沛 文 并 口 与 的 接 口 设 计 电 测 与 仪 表 ， ； （ ） 张 斌， 姚英学， 陈朔东 复合式光电编码器信号处理电路 的 设 计 机 械 工 程 师 ， ； （ ） 仪 表 学 报 ， ； （ ） 张 志 明 ， 李 蓉 艳 ， 王 磊 等 精 度 频 率 信 号 采 集 测 试 系 统 仪 器 仪 表 学 报 ， ； （ ） 林 凯 ， 何 川 ， 毛 乐 山 基 于 的 多 通 道 振 动 测 试 与 分 析 系 统 清 华 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） ， ； （ ） （ 收 稿 日 期 ： ） 侯 俊 勇 高 速 高 精 度

26、频 率 测 量 系 统 的 实 现 仪 器 欢迎网上投稿 电子技术应用 年第 期 集成电路应用 为 该 ， 这 与 左 右 的 超 声 波 测 距 能 力 相 当 。 模 块 是 收 发 半 双 工 的 ， 总 共 个 频 道 ， 频 道 可 以 编 程 设 置 ， 频 道 间 隔 为 ， 频 道 切 换 时 间 ， 还 可 以 对 同 频 道 上 工 作 的 模 块 进 行 编 址 。 该 模 块 支 持 工 作 模 式 ， 即 利 用 片 上 ， 无 线 收 发 的 数 据 速 率 可 达 ， 而 无 线 收 发 模 块 与 的 数 据 交 换 速 率 则 可 图 外部网络发起的定位请求图 以 是 低 速 的 ， 如 。 这 样 做 的 好 处 是 减 少 了 无 线 电 波发射时间、 低了能耗和空中无线电波发生冲突的机 降 会 ， 另 外 也 降 低 了 对 的 速 度 要 求 。 该 模 块 还 支 持 模 式 ， 通 过 一 根 天 线 同 时 接 收 两 个 频 道 的 数 据 （ 第 一 个 频 道 可 收 可 发 ， 设 为 ； 第 二 个 频 道 只 收 不 发 ， 且 必 为 ） ， 并 且 两 路 数 据 独 立 地 以 三 线 制 方 式 输 出 。 其 它