超声波室内定位系统设计

论文总字数：16338字

目 录

1 绪论 3

1.1研究背景 3

1.2研究目的 3

1.3研究意义 3

1.4 本文的研究任务 4

1.5本论文结构 4

2 超声波定位系统原理及器件的选用 5

2.1 超声波与超声波传感器 5

2.1.1 超声波简介 5

2.1.2 超声波传感器及其特性 5

2.2 超声波的定位原理 6

2.2.1 超声波测距方法 6

2.2.2 超声波定位原理 6

2.3器件的选用 7

3.系统分析和系统总体设计 10

3.1超声波测厚系统的指标要求 10

3.2系统组成 10

3.2.1系统空间分布 10

3.2.2携带节点系统框图 10

3.2.3固定节点系统框图 10

4系统硬件设计 12

4.1单片机MSP430主控模块 12

4.2超声波接收模块 12

4.3射频发射模块 13

4.4 超声波发射模块 14

4.5 射频接收电路 14

4.6 LCD显示 14

5系统的软件设计 15

5.1系统总体软件流程 15

5.2 携带节点软件流程 17

5.3 固定节点软件流程 18

6 实际测试和结果分析 19

6.1 测试条件 19

6.2 测试数据 19

6.3实验结论 19

6.4误差分析 19

6.5温度补偿的讨论 19

7总结 21

参考文献 21

致谢 22

基于MSP430单片机的超声波室内定位系统设计

苏骥

，China

Abstract: in recent years, with the rapid development of ultrasonic technology, the accuracy of range measurement has been greatly improved, and the indoor positioning of ultrasound has been realized. Moreover, when GPS is being measured indoors, it is affected by the received satellite signals, and it can not be measured accurately in many cases. In view of the actual demand, design the ultrasonic indoor positioning system based on MSP430 MCU, this system uses MSP430 as the main control chip, including RF transmitter and receiver module, ultrasonic transmitting and receiving module and LCD display module. The RF module is used to synchronize each transceiver module, and the ultrasonic module is combined with MSP430 to obtain the arrival time, and the position coordinates of the mobile nodes are processed by the algorithm. The ultrasonic indoor positioning technology discussed in this paper can realize the position monitoring of personnel, objects and so on in indoor space. This technology can make up for the localization of satellite positioning in buildings.

Key words: MSP430 SCM; arrival time algorithm; ultrasonic ranging; LCD display; indoor positioning

1绪论

1.1研究背景

定位技术已经深入到我们生活的方方面面，对各行各业产生着巨大的影响。其中GPS应用得最为广泛，我国的北斗系统也日趋成熟，使我们生活获得了极大地便利。但GPS受卫星信号的影响，无法进行准确的室内定位。针对这种情况，室内定位技术的研究迅速地展开了。

本世纪到目前为止，室内定位的发展取得了较为长足的进步，我们可以看到最新的比较成熟的室内定位的技术和方案：(1)基于低功耗蓝牙BLE的定位技术。我们耳熟能详的苹果公司的iBeacon，使得基于低功耗蓝牙的定位技术受到了很大的关注。(2)平面的地图已经相对完善，以此室内的地图和数据库也建立起来，从而是地图得到了全面的覆盖和扩展，通过比对数据库，从而来获得定位。(3)将多种室内定位的技术融合起来，比如用WIFI与传感器结合起来，相互修正和相互补充，从而获得相对精确的位置信息。将多种定位技术融合起来，也越来越成为以后室内定位的趋势。谷歌等大公司将多种技术结合，形成更合理的解决方案，来满足日益增加的需求。(4)定位的精度越来越高，与位置相关的一些应用和服务也应运而生。这种应用和服务不需要足够精确地定位，只需让用户在附近能够找到相关的地域。

国外对定位技术的研究要比我们更早，也更深入一些。国内也逐渐开始对这一领域投入更多的时间和精力，力争追上国际先进水平。

1.2研究目的

使用基于MSP430单片机的系统开发出低功耗的室内定位系统，在研究现有常用定位技术的利弊同时，吸取其他相关技术的可取之处，结合超声波测距技术，完成较高精度的超声波室内定位系统的设计。相较于现在比较成熟的Wi-Fi技术、ZigBee技术、红外线技术、蓝牙技术和超宽带技术，超声波定位技术能满足一定的测量精度，并且电路简单，易于实现，实验成本较低，故本次设计使用超声波定位技术，充分发挥超声波定位的优势。

本次设计选用MSP430单片机作为主控芯片，通过超声波发射和接收模块对信号进行发射和接收，从而获取到到达时间，然后利用单片机进行数据处理，对定位数据进行修正，最后在LCD12864上显示实时厚度。

1.3研究意义

定位工具和应用使用起来越发的方便，越发提高我们生产和生活的水平以及效率。GPS和北斗系统已经很好地解决了地表平面上的定位，也让我们享受到了实实在在的便利。但在一些大型建筑（比如一些商场综合体），受卫星信号的影响，GPS无法做出准确的定位，也就是定位的最后一公里没有解决。本次设计目的就是要解决这最后一公里的问题，首先要解决的是每个房间里的定位问题。本设计就是房间里的位置定位。

目前，室内定位已经发展了十多年了，已经有了一些稍微成熟的方案。室内定位的定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件都相较于室外定位复杂，很多定位技术的优势不能充分发挥。基于对现有一些较成熟方案的了解和实际问题和需求的思考，提出了超声波室内定位的解决方案。

此方案可以获取物体在空间里的位置，能够实时对携带节点的位置进行确认。基于此，后续可以完成携带节点位置分布点的描绘和运动轨迹的绘制，可以以此来分析携带节点的行为规律和活动热区。基于此可以对携带节点进行实时的跟踪。

超声波测距技术具有无损伤，高精度，使用方便，对光电磁场不敏感等优点。随着超声波测距技术的发展，有关超声波定位技术的研究必将越来越受到重视，目前，在国内和国外均有多家公司参与超声波室内定位的研发。

超声波定位具备其他定位方式不可比拟的优点：（1）超声波受外部光线的影响很小，对光照的反应基本没有，可以用来测试透明空间内的位置（比如玻璃），也可以在一些光照不足，黑暗的环境下进行定位；（2）几乎不受电磁场的影响，可以在电磁干扰强、有毒等恶劣环境中进行定位；（3）超声波传感器原理简单，结构相较于其他方案简易很多，成本低廉，获取数据简单，数据处理简单，方便做到小型化和集成化，适合进行大规模的量产。由于有以上优势，超声波室内定位被越来越多的人重视，并有望以此来解决一些其他定位方案无法去解决的一些问题。

1.4 本文的研究任务

基于对超声波定位原理的理解和对其他定位方法优劣势的研究，本文提出了一种基于超声波测距技术的室内定位方法，此设计方简化了软硬件的设计过程，降低了成本，并且达到设计所要求的定位精度。此外，本系统以超低功耗的MSP430单片机作为主控制器，为系统的节能设计提供了保障。

本文设计了一种基于超声波信号到达时间TOA的超声波室内定位系统,具备一定的定位精度， 可用来对空间中人和物的定位和跟踪。误差有效控制在1%以内，响应时间在0.1s内。采用Cricket 系统，就是三个固定节点作为超声波信号的发射点, 需要定位的携带节点用于超声波信号的接收。采用这个布局方式有利于整个系统的扩展，从而可以对多个携带节点进行定位。

1.5本论文结构

论文分为七章，分别介绍了课题研究的背景和意义以及研究内容，主要模块的功能和工作原理，系统的硬件和软件设计，其中重点是第二、三、四章。

第一章是绪论，阐述了室内定位在人们日常生产生活中的重要意义以及室内定位研究的背景，并介绍了超声波测距技术的优势以及本研究所做的主要工作。

第二章介绍超声波定位原理及器件的选用，包括超声波和超声波传感器的介绍，以及MSP430和液晶显示屏LCD12864，介绍了模块的工作原理、引脚功能、特性参数等。

第三章介绍了超声波定位系统的总体设计，介绍了系统的指标要求以及超声波收发模块的系统框图。

第四章介绍了本系统的硬件设计，主要介绍了MSP430模块，超声波收发模块，射频收发模块的电路设计和功能介绍

第五章介绍了本系统的软件设计，包含携带节点软件设计，固定节点软件设计和LCD显示程序。介绍了程序设计过程中会出现的问题和解决方案。

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