陸軍軼

(重慶大學(xué)自動化學(xué)院,重慶 400000)

基于RFID的室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)

陸軍軼

(重慶大學(xué)自動化學(xué)院,重慶 400000)

室內(nèi)定位技術(shù)在倉庫管理等領(lǐng)域前景廣闊。本文基于超聲波和RFID技術(shù)設(shè)計了一種室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)。系統(tǒng)通過測得標(biāo)識物體到空間固定點(diǎn)的距離來計算得到其二維坐標(biāo)信息。位置信息可上傳至主系統(tǒng)供進(jìn)一步處理。本系統(tǒng)原理簡單可靠,維護(hù)成本較低,可以在許多大型場所得到應(yīng)用。

RFID 超聲波測距 二維坐標(biāo) 單片機(jī)

1 引言

小到室內(nèi)機(jī)器人的跟蹤定位,大到機(jī)場、倉庫等場所的物資調(diào)度,室內(nèi)定位系統(tǒng)都能發(fā)揮很重要的作用。無線電定位系統(tǒng)的基本原理是通過測出接收到的信號衰減度,求出接收點(diǎn)到發(fā)射點(diǎn)的距離,再計算得到物體的位置信息。但是,該系統(tǒng)在室內(nèi)應(yīng)用時精度卻得不到保證。基于RFID的超聲波定位原理與它相類似,但是一方面,聲波較慢的特性保證了測距精度。另一方面,利用RFID對特定頻率射頻信號的識別特性,可以對位于室內(nèi)不同位置的定位模塊單獨(dú)控制,提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和靈活性。本系統(tǒng)可靠性高,維護(hù)容易,可以應(yīng)用在許多大型場所。

2 系統(tǒng)原理

2.1 超聲波測距原理

空氣中,超聲波的傳播速率與溫度有關(guān),大致為

式中,T為空氣溫度。

當(dāng)超聲波傳播時間t已知時,超聲波走過的路程S可以表示成

時間t能夠由單片機(jī)測得:在超聲波發(fā)生器啟動時,單片機(jī)也開始計數(shù)。接收器接收到超聲波時觸發(fā)中斷,單片機(jī)停止計數(shù)。T可由測得脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換得到。

2.2 RFID頻率識別

RFID技術(shù)有遠(yuǎn)距離存取、高速辨識和標(biāo)簽匹配等特點(diǎn)。將RFID讀頭能接收到的信號和發(fā)射器發(fā)射的信號設(shè)定在相同頻段,則讀頭和發(fā)射器能夠唯一匹配。這樣一來,系統(tǒng)通過讓發(fā)射器發(fā)射不同頻率的射頻信號,就可以觸發(fā)相應(yīng)的超聲波發(fā)射電路,從而實(shí)現(xiàn)分時測距。

2.3 系統(tǒng)定位原理

室內(nèi)定位系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。圖中,A、B、C、D是位于室內(nèi)天花板四角的RFID—超聲波定位模塊,P為標(biāo)識物體,h為超聲波接收器離房頂?shù)母叨取?/p>

系統(tǒng)工作時,RFID發(fā)射器發(fā)射不同頻率的射頻信號,分時觸發(fā)對應(yīng)的定位模塊發(fā)射超聲波,被P處的接收器到。通過這種方法,系統(tǒng)得到了P到四個角的距離再利用三角原理,可以計算出P在圖示坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)。

3 超聲波定位算法

,在平面xOy中,O是A的投影點(diǎn),PO間距

圖1 超聲波定位系統(tǒng)示意圖

圖2中,W是房間寬度,L是房間長度。物體P的坐標(biāo)(x,y)可以由三角公式求得。在中,有

于是,P點(diǎn)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)可以表示成:

實(shí)際上,從圖2中4個三角形都能各自推導(dǎo)出P的坐標(biāo)來,分別記作和即使當(dāng)物體P由于位于盲區(qū)導(dǎo)致某一段距離無法得到時,系統(tǒng)仍然有足夠的信息可以計算出物體的位置信息。一般地,通過求橫縱坐標(biāo)的算數(shù)平均值來減小測量誤差。

如果系統(tǒng)已知目標(biāo)物體Q的二維坐標(biāo)為(x',y'),那么,Q相對于P的方位角以及距離r為

圖2 超聲波測距示意圖

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由兩部分組成,一是固定在物體P上的標(biāo)識模塊,二是控制著各定位模塊的主系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

標(biāo)識模塊主要包括單片機(jī)、RFID發(fā)射器、超聲波接收器以及Zigbee通訊模塊。主系統(tǒng)主要由4個(或更多)RFID觸發(fā)電路和對應(yīng)的Zigbee通訊模塊組成。

單片機(jī)控制RFID發(fā)射器分時向四周發(fā)射不同頻率的射頻信號(如低頻125kHZ,135kHZ等),讀頭在接收到對應(yīng)的射頻信號后啟動發(fā)射超聲波。超聲波接收器一般固定在物體頂部以便增強(qiáng)接收能力。待所有距離都測得后,單片機(jī)計算得到此時P的二維坐標(biāo),并可通過Zigbee通訊將位置信息上傳到主系統(tǒng)。

5 結(jié)語

本文介紹了基于RFID的室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng),利用RFID的頻率識別特性以及超聲波的傳播特性實(shí)現(xiàn)了對標(biāo)識物體的二維定位。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單,可靠性高,適合在倉庫、機(jī)場等大型場所廣泛應(yīng)用。

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