基于无线同步的声波测距系统设计

任宪洁 潘绍明 柯宝中

摘 要： 介绍一种主要为室内定位提供测距基础的系统。该系统由两个对等的节点组成，节点1发送通过无线发出的同步握手信号，节点2收到同步信号后开始计时并回应握手信号，节点1确认握手成功后开始发送声波脉冲信号，节点2收到脉冲信号后停止计时，定时器的时间就是声波在空气中的传播时间，进而确定点和点之间的距离。节点主要是由声波发射接收电路、CC1100无线电模块和STC12C5A0S2单片机等组成。STC12C5A0S2內部带有捕获定时器的功能，能准确地抓住定时器的值。声波发射接收电路主要由NE555，LM386和NE5532构成，能高频喇叭发送和接收10.25 kHz声波信号。系统在测试的过程中，随着距离的增大，误差会有所加大，在10 m范围内误差小于10%，可以满足定位测距的需求。在实际的应用过程中还可以通过系统标定等数据处理手段，进一步提高测量精度，满足更高的测距要求。

关键词： 无线同步； 声波测距； 定位； 节点； STC12C5A0S2； 误差

中图分类号： TN98?34； TP212 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）17?0049?04

Abstract： A range finding system is introduced for indoor location， which is composed of two peer?to?peer nodes. Node 1 sends the synchronous handshake signal through wireless， and node 2 receives the synchronous signal for timing and handshake signal response. Node 1 sends the acoustic pulse signal after the determination of success handshake， and node 2 stops timing after receiving the pulse signal. The time of the timer acts as the propagation tome of acoustic wave in the air， so as to determine the distance between the points. The nodes are mainly composed of acoustic transceiving circuit， CC1100 radio module and STC12C5A0S2 microcontroller. STC12C5A0S2 can accurately capture the value of the timer because its capture timer function. The acoustic transceiving circuit is mainly composed of NE555， LM386 and NE5532， which can transmit and receive the 10.25 kHz acoustic signals through high?frequency horn. In the process of system testing， the error is increased with the increasement of distance， which is less than 10% within 10 meters， and can meet the demand of range finding of location. In the actual application process， the data processing method such as system calibration can be used to further improve the measurement precision and meet the higher range finding requirement.

Keywords： wireless synchronization； acoustic range finding； location； node； STC12C5A0S2； error

0 引 言

室内定位技术[1]已经成为当前研究的热点，而室内定位的基础是点对点测距，直接影响到定位精度。目前，测距的方法有很多，测量精度也很高。比如，反射式声波测距精度很高，但是不能很好地应用到室内定位中。为此研究无线同步声波测距[2?6]，不仅可以实现点对点测距，还可以实现点对多测距，为解决室内定位精度提供测距基础。声波是声音的传播形式，由物体（声源）振动产生。人耳可以听到的声波的频率一般在20～20 000 Hz之间[7]。由于声波在空气中的传输速度相比无线电传播速度要慢的多，因此，可以在两点之间采用无线电作为同步时钟，一个点激发声波信号发出，另一个点负责接收声波信号[8]，通过测量声波在空气中的传播时间，就可以确定点和点之间的距离，两点之间的角色是对等的。

1 系统结构

本文系统设计框图如图1所示，该系统由声波发射接收电路、无线电模块和STC12C5A0S2单片机组成。

节点1单片机控制声波脉冲输出的同时，通过无线电模块发射同步信号给节点2，节点2收到同步信号后开始启动定时器，当接收到声波脉冲信号后停止定时器，利用STC12C5A0S2内部定时器捕获功能可以捕捉到精确的定时器值[t]。

利用公式[d=v0t]就可以计算出节点1和节点2之间的距离；[v0]为声波在介质中传播的速率[9]，则[v0]（单位：m/s）可表示为：

2 硬件电路

2.1 音频发射电路

音频发射电路如图2所示。音频发射电路主要由一个NE555时基芯片和音频放大器组成。为了使NE555产生频率约为10.25 kHz的方波，利用555的频率计算公式：

2.2 声波检测电路

声音检测电路如图3所示。声波检测电路由2块5532共4个运放构成，由于MIC本身对频率大于15 kHz的信号不敏感，所以可以省去低通滤波器，只要一个高通滤波器便可以了。

首先将从MIC上获取的声音信号经过放大器（对应于图3中U1的第一个运放）放大约210倍（[≈R4R3]，[R3]为可调电阻）后进入滤波器，滤波器由另一块5532（U2）构成，最终输出频段处于8～15 kHz间的频率，最后进入U1的另一个运放构成的比较器就可以在U1的6脚输出高低电平。处理器在无线信号的同步下启动定时器，接收到这个高低电平的变化时捕获定时器的值，利用定时器的值就可以计算两点直接距离。

2.3 无线同步电路

如图4所示，无线同步[9]电路采用STC单片机SPI控制无线模块CC1100。CC1100采用FSK的方式调制，支持OOK/ASK/MSK调制，载波频率为433 MHz，接收灵敏度高，可靠传输距离可达350 m，可以满足系统的时钟同步要求。

3 测距流程

声波发射接收流程如图5所示。两个节点先通过无线同步开始握手信号，节点1发送声波信号，节点2开始启动定时器计时，等待声波信号的到来，当检测到声波到达时，停止计时，向节点1反馈定时器信息，同时计算两点之间的距离。节点2在等待的过程采用超时等待的方式进行，若超时则重新回到同步信号的接收。

4 测量结果与误差分析

表1为测试得到的一组数据。从表1中可以看出，总体测量值比实际值偏小，误差时大时小，对不同的距离，误差有所不同，但是总体误差会随着距离的增大而增大，测量点的误差曲线如图6所示。这是由于本文系统采用高音喇叭作为声波的发送和接收造成的，属于系统误差，可以通过后续数据处理进行修正，使系统误差变得更小。

实验验证了无线同步声波测距的可行性，但是还需要对硬件和软件进行优化，进一步提高测量精度和测量距离，以满足后续不同的测距需求。

5 结 语

本文设计的无线同步声波测距系统虽然比回弹式声波测距差，但是可以点对点、点对多地进行通信，为当前热门的室内定位研究提供测距基础，在短距离室内定位研究中有着重要的理论意义和应用价值，在声学通信实践中也具有一定的参考价值。

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