CN106646443A - 一种基于ZigBee通信的超声波测距系统及方法 - Google Patents

一种基于ZigBee通信的超声波测距系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee通信的超声测距系统。所述系统包括安装于测量物体上的主机和安装于被测物体上的从机；其中从机通过ZigBee模块向主机发送测距同步信号，同时通过超声波发送探头组发送超声波信号；主机接收测距同步信号同时通过超声波接收探头组检查超声波信号以获得超声波传输时间；然后通过温度传感器检测当前环境温度，根据温度传感器采集的温度对声波速度进行修正，最后计算出测量主机与被测从机之间的实际距离。本发明还公开了基于该系统的超声测距方法，基于ZigBee模块通过统计超声波传播时间及通过温度对声波速度的修正，计算出外形不规则、不易产生回波且相对轴向位置频繁变化物体的实时距离。

Description

一种基于ZigBee通信的超声波测距系统及方法
技术领域
本发明涉及相对运动的两个不规则（难于产生回波）物体测距方法，尤其适用于无人机之间的测距技术领域。
背景技术
由于超声波能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差，与雷达测距原理相似。
目前，自发自收式超声波测距方法存在以下问题：被测物体外形不规则，或是物体表面为吸音材质时难以产生回波；被测物体周边有其他障碍物，且其他障碍物对超声波优先反射，会产生干扰。激光测距测距精度高，但由于接收器要能准确接收到反射激光，因此对发射器和接收器的安装位置及运行特征要求极高；对射式超声测距方法虽能解决被测物体外形不规则、放射效果不佳等问题，但由于测量前先进行红外发送接收握手要求测量体和被测量体保持发送面和接收面相对稳定（不旋转、仅做前后相对运动），使用范围受限。
所以，对于物体外形不规则（难于产生回波）、相对位置变化（有相对旋转）等复杂条件下两物体间相对距离的测量定位，需要提出新的解决方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对相对运动的不规则（难于产生回波）物体之间有效测距问题，提出一种基于ZigBee通信的超声测距系统及方法。本发明基于ZigBee协议通信进行测距同步信号发送、接收和校验；然后通过统计超声波传播时间统计及通过温度对声波速度的修正，最终可以计算出外形不规则、不易产生回波且相对轴向位置频繁变化物体的实时距离。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提出一种基于ZigBee通信的超声测距系统，包括安装于测量物体上的主机和安装于被测物体上的从机；其中：
主机包括：第一MCU模块、第一ZigBee模块、温度传感器及超声波接收探头组；
从机包括：第二MCU模块、第二ZigBee模块及超声波发送探头组；
所述第二MCU模块通过第二ZigBee模块向第一ZigBee模块发送测距同步信号，同时通过超声波发送探头组发送超声波信号；
所述第一MCU模块通过第一ZigBee模块接收测距同步信号，同时通过超声波接收探头组检查超声波信号以获得超声波传输时间；然后通过温度传感器检测当前环境温度，根据温度传感器采集的温度对声波速度进行修正，最后计算出测量主机与被测从机之间的实际距离。
进一步的，本发明的超声测距系统，建立ZigBee连接前，所述第一、第二MCU模块的串口设置为串行口方式，选取相同的晶振频率和波特率，多机通道设为双机通信。
进一步的，本发明的超声测距系统，第一MCU模块和第二MCU模块均采用STC89C52或AT89S51单片机。
进一步的，本发明的超声测距系统，第一ZigBee模块和第二ZigBee模块均采用ZM5168。
进一步的，本发明的超声测距系统，所述超声波发送探头组包含6个探头，分别安装于测量物体的前、后、左、右及上、下面；超声波接收探头组包含6个探头，分别安装于被测物体的前、后、左、右及上、下面。
本发明还提出一种基于超声测距系统的超声测距方法，包括以下步骤：
（1）、主机、从机通过ZigBee模块建立无线透明传输通信联络；
（2）、从机发出测距同步信号并发出超声波信号；具体为：
（2-1）、位于被测物的从机基于同步串行通信数据帧形式，通过第二ZigBee模块以时间T为周期发出测距同步信号数据帧；
（2-2）、在发出测距同步信号数据帧后，采用超声波发送探头组立即发送超声波信号；
（3）、主机接收、校验、确认测距同步信号，并记录从接收到同步信号数据帧到接收到超声波信号所用时间，得到超声波传播时间；
（4）、根据超声波传播时间计算主、从机间的距离，具体包括以下步骤：
A、采用第一MCU模块保存超声波传输时间Tw，单位是秒，采用温度传感器采集主机的环境温度Ts，单位是℃，并且发送至第一MCU模块；
B、在第一MCU模块中，采用公式V=331.5+0.607Ts对声波速度V进行修正，速度单位是米/秒；
C、采用公式d=V×Tw计算主机与从机之间的实际距离，d代表修正后的实际距离, 单位是米。
进一步的，本发明的超声测距方法，步骤（1）中，基于Zigbee协议 BasicRF实现主机、从机的无线透明传输。
进一步的，本发明的超声测距方法，步骤（2-1）中通信协议格式为：2个始端握手字符+2个超声波发出标示字符+2个校验字符+2个末端握手字符；其中，2个始端握手字符用于和接收主机进行通信发送数据帧前同步，2个超声波发出标示字符分别是字符01110101B和字符10101110B，第1个校验字符为2个超声波发出标示字符相与结果，第2个校验字符为2个超声波发出标示字符的异或结果。
进一步的，本发明的超声测距方法，步骤（3）中主机接收、校验、确认测距同步信号具体包括以下步骤：
(3-1)、主机检测到2个始端握手字符后，开始接收测距同步信号数据桢中2个超声波发出标示字符和2个校验字符；对2个超声波发出标示作相与和异或操作，并将结果与接收到的2个校验字符分别进行比较：如果相与和异或的值与2个校验字符不相等，说明未正常收到测距同步信号，主机等待接收下次测距同步信号；若相等，则确认收到测距同步信号，立即启动定时器并准备接收超声波信号。
(3-2)、一旦接收到超声波信号，立即停止定时器定时并记录定时值作为超声波传输时间。
进一步的，本发明的超声测距方法，其中周期T最小值的选取与测量最大距离Lmax有关，T的最小值取0.01Lmax。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明的一种基于ZigBee通信的超声测距方法，针对相对运动的不规则（难于产生回波）物体之间有效测距问题，提出一种基于ZigBee通信的超声测距系统及方法。本发明能够轻松的测出被测物体外形不规则，不易产生回波，且相对轴向位置频繁变化物体的实时距离测量，具有非常重要的意义和实用价值。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
首先，如图2所示，本发明提出一种基于ZigBee通信的超声测距系统，包括安装于测量物体上的主机和安装于被测物体上的从机。
其中安装于测量物体上的主机包括：MCU模块、ZigBee模块，以及超声波接收探头组（含6个探头分别安装于测量物体的前、后、左、右及上、下面），MCU模块可通过ZigBee模块接收测距同步信号，通过超声波接收探头组检查超声波信号，通过温度传感器检测当前环境温度。
安装于被测物体上的从机包括：MCU模块、ZigBee模块，以及超声波发送探头组（含6个探头分别安装于被测物体的前、后、左、右及上、下面），MCU模块可通过ZigBee模块发送测距同步信号，通过超声波发送探头组发送超声波信号。
作为本发明的优选实施例，主机和从机的MCU模块优先选用STC89C52或AT89S51单片机，ZigBee模块优选ZM5168。建立ZigBee连接前，主、从两台机子MCU串口设置为串行口方式1，选取相同的晶振频率和波特率，多机通道设为双机通信。
参考图1所示，本发明提出一种超声测距方法，包括以下步骤：
（1）、主、从机通过专用ZigBee模块，建立无线透明传输通信联络；
（2）、从机发出测距同步信号（保证可靠通信（协议验证、校验技术等））并发出超声波信号；
（3）、主机接收、校验、确认测距同步信号，并记录从接收到ZigBee同步信号到接收到超声波信号所用时间；
（4）、根据超声波传播时间计算主、从机间的距离。
作为本发明的一个具体实施例，在步骤（1）中，基于精简的Zigbee协议BasicRF实现主、从机的无线透明传输，即不管传的是什么，采用的设备只是起一个通道作用，把要传输的内容完好的传到对方。发送方和接收方数据的长度和内容完全一致，相当于一条无形的传输线。简单的说就是透明传输就是不需要关心传输的过程,其优势是用户在其基础上，创建自己需要的协议格式，用户不用局限于第三方协议。而采用普通的传输就是你还需要控制传输的过程。
在步骤（2）中，具体包括以下步骤：
（2-1）、被测物主机基于同步串行通信数据帧形式以时间T为周期发出测距同步信号数据帧，通信协议格式为：2个始端握手字符+2个超声波发出标示字符+2个校验字符+2个末端握手字符；其中，2个始端握手字符用于和接收主机进行通信发送数据帧前同步，超声波发出标示字符包括2个字符01110101 10101110，第1个校验字符为2个超声波发出标示字符相与结果，第2个校验字符为2个超声波发出标示字符的异或结果；
被测物从机发出测距同步信号数据帧的周期T最小值的选取与测量最大距离Lmax有关，T的最小值取0.01Lmax。
（3-2）、被测物体主机发出测距同步信号数据帧后立即发送超声波信号。
在步骤（3）中，具体包括以下步骤：
(3-1)、测量主机检测到2个始端握手字符后，开始接收测距同步信号数据桢中2个超声波发出标示字符和2个校验字符。对2个超声波发出标示作相与和异或操作，并将结果与接收到的2个校验字符分别进行比较，如果相与和异或的值与2个校验字符不相等，说明未正常收到测距同步信号，主机等待接收下次测距同步信号，若相等，则确认收到测距同步信号，立即启动定时器并准备接收超声波信号。
(3-2)、一旦接收到超声波信号，立即停止定时器定时并记录定时值作为超声波传输时间Tw。
在步骤（4）中，具体包括以下步骤：
（4-1）、测量主机中央处理器保存超声波传输时间Tw；温度传感器采集环境温度Ts并且发送至中央处理器；
（4-2）、在中央处理器中，首先采用下述公式对声波速度进行修正，其中，Ts为温度传感器采集的温度；
V=331.5+0.607Ts。
（4-3）、计算测量主机与被测从机之间的实际距离即修正后的实际d, 单位米，Tw为超声波传输时间Tw；
d=V×Tw。
本发明提出一种基于ZigBee通信的超声测距系统及方法，该方法在无线通信的基础上，可以达到使用对射式超声波探测器测量本身不能产生回波物体之间的实时距离。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于ZigBee通信的超声测距系统，其特征在于，包括安装于测量物体上的主机和安装于被测物体上的从机；其中：
主机包括：第一MCU模块、第一ZigBee模块、温度传感器及超声波接收探头组；
从机包括：第二MCU模块、第二ZigBee模块及超声波发送探头组；
所述第二MCU模块通过第二ZigBee模块向第一ZigBee模块发送测距同步信号，同时通过超声波发送探头组发送超声波信号；
所述第一MCU模块通过第一ZigBee模块接收测距同步信号，同时通过超声波接收探头组检查超声波信号以获得超声波传输时间；然后通过温度传感器检测当前环境温度，根据温度传感器采集的温度对声波速度进行修正，最后计算出测量主机与被测从机之间的实际距离。
2.根据权利要求1所述的超声测距系统，其特征在于，建立ZigBee连接前，所述第一、第二MCU模块的串口设置为串行口方式，选取相同的晶振频率和波特率，多机通道设为双机通信。
3.根据权利要求1所述的超声测距系统，其特征在于，第一MCU模块和第二MCU模块均采用STC89C52或AT89S51单片机。
4.根据权利要求1所述的超声测距系统，其特征在于，第一ZigBee模块和第二ZigBee模块均采用ZM5168。
5.根据权利要求1所述的超声测距系统，其特征在于，所述超声波发送探头组包含6个探头，分别安装于测量物体的前、后、左、右及上、下面；超声波接收探头组包含6个探头，分别安装于被测物体的前、后、左、右及上、下面。
6.一种基于权利要求1所述的超声测距系统的超声测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、主机、从机通过ZigBee模块建立无线透明传输通信联络；
（2）、从机发出测距同步信号并发出超声波信号；具体为：
（2-1）、位于被测物的从机基于同步串行通信数据帧形式，通过第二ZigBee模块以时间T为周期发出测距同步信号数据帧；
（2-2）、在发出测距同步信号数据帧后，采用超声波发送探头组立即发送超声波信号；
（3）、主机接收、校验、确认测距同步信号，并记录从接收到同步信号数据帧到接收到超声波信号所用时间，得到超声波传播时间；
（4）、根据超声波传播时间计算主、从机间的距离，具体包括以下步骤：
A、采用第一MCU模块保存超声波传输时间Tw，单位是秒，采用温度传感器采集主机的环境温度Ts，单位是℃，并且发送至第一MCU模块；
B、在第一MCU模块中，采用公式V=331.5+0.607Ts对声波速度V进行修正，速度单位是米/秒；
C、采用公式d=V×Tw计算主机与从机之间的实际距离，d代表修正后的实际距离, 单位是米。
7. 根据权利要求6所述的超声测距方法，其特征在于，步骤（1）中，基于Zigbee协议BasicRF实现主机、从机的无线透明传输。
8.根据权利要求6所述的超声测距方法，其特征在于，步骤（2-1）中通信协议格式为：2个始端握手字符+2个超声波发出标示字符+2个校验字符+2个末端握手字符；其中，2个始端握手字符用于和接收主机进行通信发送数据帧前同步，2个超声波发出标示字符分别是字符01110101B和字符10101110B，第1个校验字符为2个超声波发出标示字符相与结果，第2个校验字符为2个超声波发出标示字符的异或结果。
9.根据权利要求6所述的超声测距方法，其特征在于，步骤（3）中主机接收、校验、确认测距同步信号具体包括以下步骤：
(3-1)、主机检测到2个始端握手字符后，开始接收测距同步信号数据桢中2个超声波发出标示字符和2个校验字符；对2个超声波发出标示作相与和异或操作，并将结果与接收到的2个校验字符分别进行比较：如果相与和异或的值与2个校验字符不相等，说明未正常收到测距同步信号，主机等待接收下次测距同步信号；若相等，则确认收到测距同步信号，立即启动定时器并准备接收超声波信号；
(3-2)、一旦接收到超声波信号，立即停止定时器定时并记录定时值作为超声波传输时间。
10.根据权利要求6所述的超声测距方法，其特征在于，其中周期T最小值的选取与测量最大距离Lmax有关，T的最小值取0.01Lmax。
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