[发明专利]基于无线传感网络和超声波的室内定位系统及定位方法

说明书

本发明涉及一种基于无线传感网络和超声波的室内定位系统及其定位方法。主要解决了传统的定位检测方法误差大的问题。发明中采用数字锁相放大的数字包络检波技术，解决了超声波测距过程中，由于环境和硬件电路中白噪声的干扰，造成的距离测量误差，同时大大地提高了测量数据的稳定性，在距离测量中采用基于RF通信的时间同步方法，提高了发射节点和目标节点的时间同步精度精度，从而也提高了距离的测量精度。

技术领域

本发明涉及超声波定位领域，是一种超声波室内定位系统，采用的是基于无线传感网络和超声波的室内定位系统及定位方法。

背景技术

现有基于超声波室内定位系统，面临着定位精度差，测距数据不稳定，硬件布线成本高，所以目前还没有成型的商用系统产品出现，由于环境干扰和硬件电路中白噪声的干扰，经常会出现毛刺高电平，这就会造成系统的误判，从而影响系统检测的误差较大。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种拓扑结构简单、时间精度高、测量误差小的基于无线传感网络和超声波的室内定位系统及定位方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于无线传感网络和超声波的室内定位系统，由无线传感网络节点相互配合构成，无线传感网络节点采用可充电的锂电池供电，包括微处理器、超声波接收器、超声波发射器、wifi模块以及RF模块，所述的微处理器通过SPI总线连接控制RF模块处理时间同步信号，其还通过串口通讯连接有用于传输数据的wifi模块，所述的超声波接收器接收到的信号经过滤波放大电路中的二阶多反馈带通滤波器滤出超声波频率以外的干扰后，传输给微处理器进行ADC采样，所述的微处理器通过DAC功能产生正弦信号经放大电路传输给超声波发生器。

进一步的，所述的微处理器频率为72Mhz，硬件上没有外扩RAM，片内RAM大小为32KB；所述的滤波放大电路中采用FIR低通滤波器，带通边缘频率w_p取0.0628，阻带起始频率w_s取0.1571。

进一步的，所述的RF模块中断向量优先级配置为最高，接收时间同步信号后会马上传输给微处理器一个中断信号通知微处理器时间同步信号到达，进入中断服务程序，并立即开启ADC采样，ADC采样的数据通过DMA通道传给内存，当DMA传输完所有的采样数据，会产生一个DMA中断信号，在DMA中断服务程序中，完成数字锁相放大运算。

一种基于无线传感网络和超声波的室内定位方法，

A、首先进行时间同步管理，在固定区域内设置基于RF模块的时间同步节点，来管理区域内的由无线传感网络节点构成的锚节点和目标定位节点，当定位目标节点进入该区域内，开启该区域内的时间同步节点，时间同步节点也定时向区域内广播同步信号进行时间同步；

B、时间同步的状态下，定位目标节点开始发射超声波信号，区域内的锚节点同时开始采集超声波接收传感器的信号，采用数字锁相放大技术利用包络法检测超声波信号，

C、通过包络法检测超声波信号即可测得超声波的飞行时间t_tof由公式10、公式11可求出，式中，n_max是中最大值所对应的序号，n_x是通过最大值和上下相邻包络幅度值，通过抛物线插值法求得的系数因子；

D、测出超声波飞行时间以后，即可根据声音的传播速度计算出锚节点到目标节点的距离，(x_i,y_i,z_i)是第i个锚节点的3维坐标，则可以得到如下公式，其中k是锚节点的个数，(x,y,z)是定位目标的坐标，

公式中从第二个式子开始，左右两边分别减去第一个式子的两边，并整理为矩阵和向量的表达式如以下方程所示。