基于超声波的定位系统设计

在给定时间内如果接收到信号则由延迟时间计算出主体到发射点的距离。与超声波相比，无线电波的传输时间可忽略不计;如果在给定时间内没有接收到信号，则认为主体到发射点的距离已超过可接收距离。当接收到足够的发射点信号后，可由主体到各个发射点的距离计算出主体的位置坐标。由于超声波在空气中的传播速度随着环境条件的不同而变化，为了提高测量精度，还需要对测量结果进行校正。

　　MICA2与超声波传感器通过—个51阵的接口相连接，超声波传感器电源通过外接电池组实现供电。MICA2的数据处理单元采甩Atmel公司的Atmega128L微控制器，它采用低功耗CMOST工艺生产的基于RISC结构的8位微控制器，是目前AVR系列中功能最强大的单片机。AVR核将32个工作寄存器和指令集联结在—起，所有的工作寄存器都与ALU直接相连，实现在 —个时钟周期内执行单条指令的同时访问两个独立寄存器的操作，这种结构提高了代码效率，在性能上比普通单片机提高约10倍。Atmega128L具有丰富的资源和较低功耗。片内有128KB的程序Flash、4KB的数据SRAM、可外扩到64KB的E2PROM。此外，还有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下工作;8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器UART、SPI、I2C总线接口;JTAG接口除了正常操作模式外，还具有6种不同等级的低功耗操作模式，每种模式具有不同的功耗。MICA2的数据传输单元模块由Chipson公司生产的低功耗、短距离的符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件的无线通信模块CC2420组成。节点的MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，MAC层采用的是基于ESMA-CA的机制，该芯片只需极少外部元器件，可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达250kbit/s，可以实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。

　　3 软件系统的设计

　　软件系统将设计的目标定位系统布置在实际的物理硬件上并进行相关实验研究。应用系统的软件流程见图2所示。

　　在初始阶段，所有节点处于工作状态，通过节点分组组件选择值班节点监控覆盖区域;当值班节点定位到事件后，唤醒相邻节点采集数据，节点将收集的数据汇聚至头节点，头节点进行初步处理以减少错误数据向网关传送所引起的路由拥塞;网关将从底层接收到的数据传送到具有较强处理能力的基站从而估算出发生事件的大致位置。

　4 通讯控制结构

　　在网络节点的通讯过程中，节点在无工作任务时的空闲侦听耗费了相当宝贵的能量资源;同时无线信号在转发过程中存在丢包、串音、局部消息汇集而引起的拥塞等，在网络通讯控制结构设计中必须考虑这些问题。为提高系统的扩充性和适应性，采用构建包括节点分组、能量管理、路由选择、时间同步以及定位估计等多个系统组件，方便对系统的进一步修改和提高。

　　与目前Internet网络的层结构相比，无线传感器网络系统在实际中一般分为物理层、无线链路层、路由层和应用层，层与层之间通过接口传递消息。目前传输层并没有被传感器网络所采用，主要是因为传统的消息确认会造成无线传感器网络能量巨大损耗，而传感器网络数据传输量巨大，对少量丢失的数据并不敏感，所以传输层在无线传感器网络中的重要性并不大。

　　无线传感器网络中节点能量有限、数据传输率低、可靠性和安全性较差。而且在系统运行期间节点可能随时会迁入、移出或因为能量耗尽而失效、位置移动等，由此引起网络拓扑结构和通讯链路控制结构变化。为了尽量延长无线传感器网络的生存期，网络通讯控制结构应尽量满足以下条件：当系统处于空闲监听状态时，留下少数节点维持基本链路而使其他节点进入休眠;因为节点的可靠性相对较差，需要保证骨干链路的冗余度;大量节点发送的数据对整个网络来说是一项繁重的任务，有效运用数据融合、分布式处理等技术可减少冗余数据并降低无线通讯的次数;提高扩展性和鲁棒性，适应节点迁入、移出或失效等各种变化。在应用中，无线传感器网络节点的能量消耗与其在通讯过程中采用的方式有密切关系。

　　在实际环境中，通过对设定的网络覆盖区域的连续定位，发现其事件准确预测率在网络覆盖范围内的发现率很高，事件误报率很低，这意味着在实际中虽然节点的正确数据被发送，但同时可能在下一个时刻发送的数据是错误的，这也从侧面说明了采取一定措施限制误报率的必要性。

对于目标定位系统而言，实时性是其关注的另外—个要点，如果系统不能及时将网络系