CN204215032U - 基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统，用于解决现有超声波六元传感器阵列定位系统实用性差的技术问题。技术方案是包括超声波阵列收发模块、传感器安装板和主控板。超声波阵列收发模块由超声波接收电路和超声波发射电路组成。六组超声波阵列收发模块均匀排列传感器安装板上，构成超声传感器阵列，射频天线从传感器安装板中央探出，这种排列方式解决了单个超声波传感器方向角有限的问题，实现了超声波信号二维全向收发，实用性强。

Description

基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统

技术领域

本实用新型涉及一种超声波六元传感器阵列定位系统，特别是涉及一种基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统。

背景技术

无线传感器网络中的节点往往具有可移动性，而脱离位置信息的感知数据是没有实际意义的，节点必须明确自身的位置才能清楚的知道在什么位置或者区域发生了某件事。目前实际的硬件平台往往通过人工部署或配备GPS(Global Position System)进行定位，这些方法增加了设备的成本和功耗，在室内或某些室外极端环境下无法应用。目前典型的基于超声波测距的硬件定位系统主要有麻省理工的Cricket系统、利福尼亚大学洛杉矶分校的AHLos系统、加州大学伯克利分校的Calamari定位系统和瑞士联邦理工大学的SpiderBat系统。其中Cricket是一种基于锚节点的室内定位系统；AHLos系统对节点密度要求较高，节点的有效测量距离只有3米；SpiderBat定位系统不仅需要超声波收发器测量距离信息，硬件上还增加了数字罗盘以提供自身的角度信息，在提高测距精度的同时对系统功耗带来了不利的影响，SpiderBat的有效测量距离仅为10m。

发明内容

为了克服现有超声波六元传感器阵列定位系统实用性差的不足，本实用新型提供一种基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统。所述定位系统包括超声波阵列收发模块、传感器安装板和主控板。超声波阵列收发模块由超声波接收电路和超声波发射电路组成。六组超声波阵列收发模块均匀排列传感器安装板上，构成超声传感器阵列，射频天线从传感器安装板中央探出，这种排列方式可以解决单个超声波传感器方向角有限的问题，实现超声波信号二维全向收发，实用性强。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统，其特点是包括超声波阵列收发模块、传感器安装板和主控板。超声波阵列收发模块由超声波接收电路和超声波发射电路组成。六组超声波阵列收发模块均匀排列传感器安装板上，构成超声传感器阵列，射频天线从传感器安装板中央探出。处理器模块、信号检测电路和射频模块集成于主控板上，处理器模块、射频模块、信号检测电路、温度补偿模块和超声波阵列收发模块分别通过板间接口模块建立电器连接。

所述超声波发射电路的电源通过P沟道增强型MOS管开关接入DC-DC升压模块MAX864，为运放LM8261提供对称的双电源；多路输出信号选择器4051将PWM信号分别连接至六路发射电路中，通过控制CON_A、CON_B和CON_C引脚使六路PWM信号单独输出或者同时输出；发射电路通过输出使能信号POUT控制，当POUT为低电平时，开关导通，发送电路正常工作。处理器JN5148产生40KHz占空比为50％的方波信号PWM_O，经放大电路放大后驱动超声波传感器TX1～TX6。当PWM_O输入8个周期的电压幅值为3.3V，且频率为40KHz的方波信号时，运放输出端接近20V的电压峰峰值。

所述超声波接收电路采用二级放大，同时在二级放大的反馈网络中采用数字电位器MAX5405，处理器JN5148通过对该芯片写入数据0X00～0XFF设置相应阻值，实现放大电路增益可调。

本实用新型的有益效果是：本实用新型超声波六元传感器阵列定位系统包括超声波阵列收发模块、传感器安装板和主控板。超声波阵列收发模块由超声波接收电路和超声波发射电路组成。六组超声波阵列收发模块均匀排列传感器安装板上，构成超声传感器阵列，射频天线从传感器安装板中央探出，这种排列方式解决了单个超声波传感器方向角有限的问题，实现了超声波信号二维全向收发，实用性强。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作详细说明。

附图说明

图1是本实用新型基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统结构图。

图2是本实用新型基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统超声阵列安装俯视图。

图3是本实用新型超声波发射电路图。

图4是本实用新型超声波接受电路图。

图5是本实用新型全向二维测距图。

图6是本实用新型处理器单元工作流程图。

具体实施方式

以下实施例参照图1～6。

本实用新型基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统包括超声波阵列收发模块、传感器安装板和主控板。

主控板上集成处理器模块1、信号检测电路2和射频模块3以及3.3v电源4。其中处理器模块1与射频模块3、信号检测电路2、温度补偿模块7和超声波收发模块分别通过板间接口5建立电器连接，所述处理器模块用以控制：a、超声波阵列收发电路中的相关信号，如超声波信号发送使能和接收使能的控制；b、有关射频模块控制，如ZigBee多跳网络的组建，射频同步信号的发射与接收，距离计算和结果回传；c、有关超声波信号的检测，接收来自信号检测电路的硬件中断，判断是否接收到超声波信号。

传感器安装板上装有六组超声波收发模块,构成超声传感器阵列。如图2所示，六组超声波收发传感器均匀排列成一圈，射频天线从中央探出，采用这种安装方式可以解决单个超声波传感器方向角有限的问题，实现超声波信号二维全向收发。同时集成温度补偿模块6，用以测量环境温度，处理器JN5148根据环境温度对超声波传播速度进行补偿，补偿按照下述经验公式进行：

$v\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\γRT}/\mathrm{\μ}},T=273+t$

其中，γ为空气比热容比(定压热容和定容热容之比)，其值为1.4，R为理想气体常数，空气为8.134kgmol^-1·K^-1；μ为空气摩尔质量，为0.00283kg·mol^-1；T为气体的绝对温度；t为摄氏温度。

超声波阵列收发模块具体包括：用于驱动超声波传感器发送超声波信号的超声波发射电路、用于对超声波传感器接收的信号进行滤波和放大的超声波接收电路。超声波发射电路如图3所示，电源通过P沟道增强型MOS管开关接入MAX864，MAX864是DC-DC升压模块，输入电压为5.0V，升压后输出±10.0V电压，为运放LM8261提供对称的双电源；4051是多路输出信号选择器，将PWM信号分别连接至六路发射电路中，通过控制CON_A、CON_B和CON_C引脚可以使六路PWM信号单独输出或者同时输出；发射电路通过输出使能信号POUT控制，当POUT为低电平时，开关导通，发送电路正常工作。处理器JN5148产生40KHz占空比为50％的方波信号PWM_O，经放大电路放大后驱动超声波传感器TX1～TX6。当PWM_O输入8个周期的电压幅值为3.3V，且频率为40KHz的方波信号时，运放输出端接近20V的电压峰峰值。超声波接收电路如图4所示，该电路采用二级放大，同时在二级放大的反馈网络中采用数字电位器MAX5405，处理器JN5148通过对该芯片写入数据0X00～0XFF设置相应阻值，实现放大电路增益可调。

全向收发通过ZigBee多跳网络发送射频同步信号，如图5所示，发射端每间隔100ms发射一次射频同步信号，接收端节点在收到射频同步信号后开始计时，直到接收端收到超声波信号后停止，位于发射节点顺时针0°、60°，120°，180°，240°，300°方向的接收节点此段时间分别记为t₁,t₂,...t₆。接收端节点与发射端的距离l_i按照l_i＝t_i×v(t)计算。

射频同步信号处理时间相对于超声波传播时间可忽略不计。收到同步信号后超过100ms没有检测到超声波信号即认为超时，及该角度上不存在接收节点。

图6所示为处理器单元工作流程图，其中主循环负责ZigBee网络的组建、维护和系统外设的初始化。在射频模块中断处理程序中，根据接收的消息类型，判断本节点在测距过程中是作为超声波发送节点还是作为超声波接收节点，若为超声波发射节点，则通过PWM波依次驱动各个方向角上的超声波发送电路；否则作为超声波接收节点，等待接收超声波信号，并计算距离值。

Claims (3)

1.一种基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统，其特征在于：包括超声波阵列收发模块、传感器安装板和主控板；超声波阵列收发模块由超声波接收电路和超声波发射电路组成；六组超声波阵列收发模块均匀排列传感器安装板上，构成超声传感器阵列，射频天线从传感器安装板中央探出；处理器模块、信号检测电路和射频模块集成于主控板上，处理器模块、射频模块、信号检测电路、温度补偿模块和超声波阵列收发模块分别通过板间接口模块建立电器连接。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统，其特征在于：所述超声波发射电路的电源通过P沟道增强型MOS管开关接入DC-DC升压模块MAX864，为运放LM8261提供对称的双电源；多路输出信号选择器4051将PWM信号分别连接至六路发射电路中，通过控制CON_A、CON_B和CON_C引脚使六路PWM信号单独输出或者同时输出；发射电路通过输出使能信号POUT控制，当POUT为低电平时，开关导通，发送电路正常工作；处理器JN5148产生40KHz占空比为50％的方波信号PWM_O，经放大电路放大后驱动超声波传感器TX1～TX6；当PWM_O输入8个周期的电压幅值为3.3V，且频率为40KHz的方波信号时，运放输出端接近20V的电压峰峰值。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络技术的超声波六元传感器阵列定位系统，其特征在于：所述超声波接收电路采用二级放大，同时在二级放大的反馈网络中采用数字电位器MAX5405，处理器JN5148通过对数字电位器MAX5405写入数据0X00～0XFF设置相应阻值，实现放大电路增益可调。