分类号 密级 U D C 编号 本科毕业论文（设计）题 目 超声波室内定位系统设计与实现 院 （系） 专 业 年 级 学生姓名 学 号 指导教师 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录内容摘要1关键词1Abstract1Key words11.绪论21.1选题的背景和研究意义21.2选题的研究现状31.3本文的研究工作41.4本文结构52.超声波定位系统原理52.1 超声波与超声波传感器52.2 超声波的定位原理83.系统硬件设计103.1 系统空间分布图103.2 移动节点103.3 固定节点134.系统软件设计144.1 系统总体软件流程144.2 移动节点软件流程174.3 固定节点软件流程205. 实验分析215.1 射频发射距离测试215.2 超声波发射距离测试225.3系统整体测试246. 结果与展望256.1 系统实物图256.2 小结与展望27参考文献29致 谢30内容摘要随着超声波测距精度的不断提高，超声波定位技术也发展得日趋成熟，并且在工业、农业、医学、食品加工等各个领域得到了广泛的应用。通过对比几种常用的超声波测距方法，融合射频技术和超声波技术，设计并实现了一种新的超声波室内定位系统。系统以超低功耗的MSP430单片机作为主控芯片，由三个悬挂在空中固定位置处的节点和一个在地面二维直角坐标系中移动的节点组成。文章介绍了系统的基本定位原理和整体设计思路，详细阐述了系统的硬件设计方法，分析了系统各部分的软件流程并给出了主要程序。最后，通过实际实验测试并对测试结果进行分析，得到了系统各个模块的性能指标和整体定位精度，并且提供了各部分的实物图。关键词：超声波 定位 射频 MSP430Abstract: With the continuous improvement of the ultrasonic distance measuring accuracy, ultrasonic positioning technology is developing more and more mature and being widely used in various fields like industry, agriculture, medicine, food processing and so on. By comparing several commonly used methods of ultrasonic distance measurement , integrating of RF technology and ultrasonic technology, the writer designed and implemented a new ultrasonic indoor positioning system. System use the MSP430 ultra-low power single-chip microcomputer as the master chip, consists of three nodes which flying in the air of fixed positions and a node which moving in the two-dimensional Cartesian coordinate system on the ground. This paper describes the basic positioning principle and the overall design concept, details systems hardware design method, analysises the software process of each part of the system and gives the main procedures.Finally, through the experimental test and analysis of the testing results, gives each modules performance indicators and overall positioning accuracy, and provides physical figures of each part of the system.Key words：Ultrasonic Positioning Radio-Frequency MSP4301. 绪论1.1 选题的背景和研究意义随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定各种设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，如GPS技术、红外线技术、蓝牙技术、射频识别技术、超宽带技术、Wi-Fi技术、ZigBee技术、超声波技术等等。GPS技术：GPS是目前应用最为广泛的定位技术，利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。 红外线技术：红外线定位技术虽然具有相对较高的室内定位精度，但是只能在直线视距内传播、传输距离较短，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。蓝牙技术：蓝牙技术最大的优点是设备体积小、易于集成在 PDA、PC以及手机中，采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。射频识别技术：射频识别技术可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，体积较小、成本较低，同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。然而，由于射频标识的作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中，因此这种定位技术也存在一定局限性。超宽带技术：超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位等优点。Wi-Fi技术： Wi-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，需要很少基站，能采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。但无论是用于室内还是室外定位，Wi-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。 ZigBee技术：ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高，其最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。超声波技术：超声波在对障碍物进行定位方面具有以下突出的优点：（1）超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)；（2）对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。目前，各种超声检测技术己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。与其他定位技术相比，超声波能满足较高精度定位的要求，而且设备简单，成本低，在实验室实现容易，所以本文选择超声波来进行定位。1.2 选题的研究现状苏州大学工学院的王富东通过分析比较超声波与射频的区别，设计出了一种空间模型的超声波定位系统1。系统的移动节点由微处理机电路、超声波接收电路和无线电编码触发电路组成，固定节点由超声波发射电路和无线电编码接收电路组成。此外，他还利用此系统原理设计出了对一种在无人车间工作的自动运输小车的定位方案。西安交通大学电信学院的雷鸣雳、周功道、冯祖仁通过分析超声波回波反射法定位存在的缺点，针对在环境已知的室内移动机器人的定位问题，提出了一种新的定位方法基于伪码相关技术的超声波无线电定位法2。他们不仅介绍了这种定位系统的原理和设计方案，而且详细阐述了系统硬件部分的电路设计，并讨论了主要元件的参数设置，通过实验表明，该方法提高了定位的准确性，扩大了有效定位范围。华中科技大学国家水电能源仿真实验室的杨敏华、李利军、李朝晖结合PowerWal立体投影显示设备和SGI OCTANE图形处理工作站，介绍了一种新颖的超声波三维空间定位系统的原理与设计，及该系统在虚拟现实系统中的应用，提供了一种虚拟现实系统中的精确定位方式3。该超声波三维空间定位系统采用了差分方式来提高测距精度。由于该系统具有抗电磁干扰能力强、对光线不敏感和无电磁辐射等优点，很适合在虚拟现实系统应用。系统将实时检测到的数据通过网络传输到SGI OCTANE工作站，避免了地域空间的限制，因此此系统在虚拟现实系统中具有重大意义和广泛应用前景。日本独立行政法人港口及机场研究所建设与控制系统部门的Kshira、J.Akizono和T.Hirabayashi，利用3个GPS天线和4个超声波接收机配合一个超声波发射器，研制出了误差在10cm以内的水下超声波定位系统4，整个系统的设计充分考虑到各个方面的因素对系统误差的影响，对传播时间的测量和声速的校正做了较严密的工作，并与传统的定位方法进行了对比，体现出了他们所研制的系统