超声波室内定位系统设计与实现.doc

题 目 超声波室内定位系统设计与实现 31第页1. 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的优越性。J.M. Villadangos， J. Urefia等人设计出了大覆盖范围的超声波定位系统ULPS。为了保证实现室内的三维定位，他们在每个圆柱形的超声波发射头上连接了一个圆锥形的反射换能器5。此外，为了实现系统的同步，他们采用了DS-CDMA技术，用255比特的Kasami码来对超声波信号进行编码。实验结果表明，整个系统能够在室内的三维范围内实现很好的定位。1.3 本文的研究工作基于以上研究工作，本文提出了一种结合射频技术和超声波技术的室内定位方法，此设计方法与王富东及雷鸣雳等的设计思想有类似之处，但是，他们所设计的系统中都用到了无线电技术，并且都对无线电信号进行了编码，系统存在一定的复杂性，而本文所描述的系统无需对射频信号进行编码，简化了软硬件的设计过程，并且达到了一定的定位精度。此外，以超低功耗的MSP430单片机作为主控芯片是本系统设计的一大特色，由于MSP430单片机有五种低功耗模式，为系统的节能设计提供了保障。本系统的设计由我与潘丽同学共同完成，我们共同探讨了系统硬件电路的设计思路和软件执行流程，在整个系统的设计过程中，潘丽同学主要负责硬件电路的焊接与调试，而我则主要负责软件编程与调试。在我们的共同努力下，最终设计并实现了此系统，达到了预期的工作目标。1.4 本文结构本文主要阐述了基于MSP430单片机的超声波室内定位系统的设计与实现，第一章是绪论，主要对超声波定位的背景、研究意义、发展现状以及本文的研究工作等内容作了简要介绍；第二章介绍超声波定位系统的原理，主要介绍了超声波、超声波传感器以及超声波的定位原理；第三章介绍系统的硬件设计方法，对各部分的电路作出了详细介绍；第四章介绍系统的软件设计，给出了各个部分的软件流程图，对软件执行过程进行了详细介绍，并且给出了主要程序；第五章是对系统的实验测试以及结果分析；第六章是对全文的小结与展望。2. 超声波定位系统原理2.1 超声波与超声波传感器2.1.1 超声波简介声波是属于声音的类别之一，属于机械波。声波是指人耳能感受到的一种纵波，是物体机械振动状态（或能量）的传播形式，其频率范围为16Hz-20KHz。超声波是指振动频率大于20KHz以上的声波,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20KHz）。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应：1）机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波在流体介质中形成驻波时,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用会引起感生电极化和感生磁化。2）空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。3）热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。4）化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。超声波具有如下特性： 1） 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。2） 超声波可传递很强的能量。3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 基于超声波的这些特点，超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：1）超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。2）超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。3）基础研究。超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。2.1.2 超声波传感器及其特性超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或者超声波探头。它是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声波探头有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： 1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。图2.1为中心频率为40KHZ的超声波传感器的频率特性曲线6，它反映超声波传感器的灵敏度与频率之间的关系。从图中的频率特性可知，发射与接收的灵敏度都是以标称频率为中心(波形的最高点)向两边逐渐降低。为此，发射超声波时要充分考虑到偏离中心频率。在发射器的中心频率处，发射器所产生的超声波最强，也就是超声波声压能级最高；而在中心频率两侧，声压能级迅速降低。因此，在使用中，一定要用接近中心频率的交流电压来驱动超声波发生器。本文中使用的超声波传感器型号为FC-16KT40和FC-16KR40。图2.1超声波传感器的频率特性2.2 超声波的定位原理2.2.1 常用超声波测距方法在超声波定位系统中，测距精度的高低对系统性能的好坏起着至关重要的作用，因此，测距方法的选取往往是决定系统性能指标的关键。目前常用的超声波定位方法主要有以下三种：包络检测法、回波检测法和到达时间测量法。1）包络检测法：包络检测法是将接收到的回波信号做成包络线，将接收回波的包络线大于门限值的时间确定为回波到达的时间6。但是这种方法有一个原理上的滞后，并且在信噪比较小的情况下，误差就会比较大。一般情况下，可以利用自适应包络检测方法来改善这种方法。2）回波检测法：把超声波短脉冲发送至被测物体, 当声波自物体的非连续性结构或边界返回时, 获取其回波波形7。当波触及物体前壁面时, 有几个振荡周期的窄带随机波产生, 称为始波, 与此同时, 还有一部分超声波渗入被测物体, 触及物体的后壁面, 又可得到振荡的回波, 称为底波。利用始底波之间的时间间隔与己知的声波在物体中的速度, 便可算出物体的距离。但是，这种方法存在以下两个缺点2：测距精度较低：超声波测距仪工作于单脉冲方式，测距精度主要取决于回波信号的信噪比，在信噪比一定的情况下，通过增加前置运算放大电路的增益也不能满足要求。有效作用距离较短：超声波在空气中传播时衰减较大，因而当待测距离较大时，超声波测距仪接收到的超声波回波信号非常弱，且信噪比很差，这就使得超声波测距仪的有效作用距离较短。3）到达时间测量法：这种方法一般情况下将超声波的发射和接收传感器置于同一端，超声波发射出去后，遇到障碍物就会被反弹回来，被接收传感器感应到，记录从发射超声波到接收到超声波的这段时间t，则根据式(2.1)可以计算出超声波的发射头与障碍物之间的距离（其中V为声速）： S = V * t / 2 （2.1）2.2.2 超声波定位原理由于包络检测法和回波检测法存在其固有缺点，而且实施起来存在一定的困难，所以本文选用到达时间测量法来实现测距。为了消除接收信号中回波的影响，本文利用声速相对光速慢的特点，设计出了一种新的到达时间测量法：将超声波的接收传感器与射频发射模块置于A端，而将超声波的发射传感器与射频的接收传感器置于B端，先从A端发射射频信号，告之B端发射超声波，由于电磁波的传播速度比声速大得多，所以可以忽略射频的传播时间，从A端发射射频开始计时，到A端收到超声波信号为止，记录这段时间，则可以用式（2.2）来计算A端与B端的距离（其中V为声速，因为本系统测试时温度基本恒定在25，所以声速可取恒定值346.575m/s）： S = V *t （2.2）利用这种方法，可以分别得到移动节点到三个固定节点的距离l1、l2、l3，由于本系统的各个节点呈空间分布，所以根据勾股定理，可以求出三个固定节点在地面二维坐标系中的投影点到移动节点的距离l11、l22、l33。设三个固定节点在地面二维坐标系中的投影坐标分别为（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），移动节点的坐标为（x0，y0），则根据式（2.3）的加权质心算法8可以求得移动节点的坐标： （2.3）3. 系统硬件设计3.1 系统空间分布图 本系统利用三个固定在空中的超声波节点，来实现对一个在地面上二维直角坐标系中的移动节点的定位，总体空间分布图如图3.1所示。ZXY4132图3.1 系统空间分布图图3.1中，1号节点为移动节点，即所需要定位的节点，2、3、4号节点为固定节点，由于受到超声波的发射角的限制，所以将系统设计成空间结构，从而可以保证1号节点在二维平面内运动时可以收到2、3、4号节点发射的超声波。其中，2，3，4号节点与地面的距离为191.0cm，它们在地面直角坐标系中的投影点坐标分别为（0.0，120.0），（0.0，0.0），（120.0，0.0），单位均为cm。3.2 移动节点3.2.1 移动节点框图 移动节点的硬件电路框图如图3.2所示，在系统开始工作后，按下移动节点所在单片机上的S1键，由单片机控制射频发射模块发射射频信号，以获得系统的同步。各个固定节点收到射频信号后会以分时的方式发射超声波信号，移动节点在每次接收到超声波信号之后，通过超声波接收模块的放大、整流、比较、反相等处理，触发MSP430单片机的中断，处理完成后继续等待下一次的中断，在接收到第三次超声波信号之后，移动节点的MSP430单片机经过加权质心算法运算得到此节点的坐标，并将其显示到LCD屏幕上。msp430单片机射频发射模块超声波接收模块LCD显示图3.2 移动节点框图3.2.2 射频发射电路本系统采用射频信号来获取各个节点的同步，其中所用到的射频发射模块为F04E，其实物图如图3.3所示，主要性能指标如下：发射频率：433MHZ调制方式：ASK工作电压：3-12V直流发射电流：0.5-10mA发射功率：5mW 图3.3频率稳定度：10-3 (LC振荡)工作温度：-40-+60体 积 ：8105mm此模块使用起来简单方便，可直接以MSP430单片机输出的1KHZ的PWM波作为调制信号，射频发射电路如图3.4所示。本电路采用6V直流电源供电，经过测试，在此工作条件下，F04E模块的发射半径超过了5米，完全可以满足室内定位的要求。在使用此模块时需注意，在单片机引脚与FO4E的连接处需加入一个100K的电阻，以免产生过调制。图3.4 射频发射电路3.2.3 超声波接收电路 超声波接收电路的主要作用是对超声波传感器接收到的信号进行放大、整流、比较、反向、分压等一系列的处理，然后将处理后的信号送入单片机引发中断，从而记录本次超声波的传播时间，接收电路如图3.5所示：图3.5 超声波接收电路对于电路各个部分的具体说明如下：1）放大电路：本电路选用四通道运放MC3403中的1、2两个通道来对接收到的信号进行放大，理论放大倍数为1000倍左右（实测为350倍左右），放大后信号的峰峰值为3V左右。因为接收到的超声波信号为交流信号，而本电路采用6V的直流单电源供电，所以为两级运放各提供了3V的直流偏置电压。2）整流滤波电路：本电路主要由D1、D2、D3三个整流二极管和一个1uf的电解电容C4构成整流滤波电路。其中D2主要起整流作用，而C4则主要起平滑滤波作用。3）比较电路：由于整流过后信号的幅度并不稳定，如果直接输入单片机，可能在单片机的引脚上引入一个不稳定的电压，所以将整流过后的信号送入一电压比较器，以产生稳定的高低电平。此电压比较器选用MC3403的第四个通道来构成，经比较之后，将信号送入非门再分压后送入单片机。3.3 固定节点3.3.1 固定节点框图 固定节点框图如图3.6所示，此部分仍然采用MSP430单片机作为主控MCU，系统初始化完成之后即进入低功耗模式，等待接收射频信号。当收到射频信号之后，将会触发单片机中断，进入中断处理程序之后，2、3、4号节点将会关闭中断使能，并且在分别延时1s、2s、3s之后发射超声波信号，待超声波信号发射完成后，它们再分别延时2s、2s、1s后开射频接收中断。如此循环，配合移动节点完成定位。MSP430单片机射频接收模块超声波发射模块图3.6 固定节点框图3.3.2 射频接收电路与射频发射电路相匹配，射频接收电路采用中心频率为433MHZ的射频接收模块J04V如图3.7所示。J04V模块的主要性能参数如下：接收频率： 433MHz工作电压： 2.6-3.5V直流工作电流： 0.15-0.3mA调制带宽： 10K输出电平： TTL 电平接收灵敏度： -90dBm 电路结构 ： 超再生 图3.7外形尺寸： 10 23 5mm工作温度： -40 - +60 图3.8 射频接收电路 具体的射频接收电路如图3.8所示。在本系统的实际电路中，对此模块采用3V的直流电压供电，工作电流约为0.2mA。为了滤除空气中其他噪声的干扰，在输入单片机的引脚处接入了一个104的电容，实验证明，在射频信号频率为1KHZ的时候，此电容可以很好的滤除噪声干扰，并且可以保证单片机能够正常接收到射频信号产生的中断。3.3.3 超声波发射电路 超声波的发射电路如图3.9所示，由MSP430单片机产生40KHZ的PWM波，此信号经两级与非门驱动之后直接供给超声波发射传感器即可。由于本系统中要求超声波发射的最远距离仅为260cm左右，所以发射信号不经过放大即可满足要求。图3.9 超声波发射电路4. 系统软件设计4.1 系统总体软件流程系统的整体工作时序和软件流程分析如下：1）按下1号节点的S1键，1号节点发射30个周期的频率为1KHZ的射频信号来实现整个系统的同步，同时打开TimerA计时和中断，使能超声波接收中断。2）2、3、4号节点同时接收到射频信号。2号节点接收到射频信号后关闭射频接收中断，延时1s后发射超声波信号，超声波信号的发射时间为0.5s，经过实验证明，0.5s的发射时间可以保证1号节点在1s内接收到超声波信号，并且不会对超声波的下一次接收产生干扰。在超声波发射完成后，2号节点延时2s后再使能射频接收中断。3）1号节点第一次接收到超声波信号后关闭超声波接收中断，读出此时TimerA的计数值t2，然后继续计时，到达1s后再使能超声波接收中断，同时TimerA继续计时。4）3号节点接收到射频信号后关闭射频接收中断，延时2s后发射超声波信号，超声波信号的发射时间为0.5s，在超声波发射完成后，3号节点延时2s后再使能射频接收中断。5）1号节点第二次接收到超声波信号后关闭超声波接收中断，读出此时TimerA的计数值t3，然后继续计时，到达1s后再使能超声波接收中断，同时TimerA继续计时。6）4号节点接收到射频信号后关闭射频接收中断，延时3s后发射超声波信号，超声波信号的发射时间为0.5s，在超声波发射完成后，4号节点延时1s后再使能射频接收中断。7）1号节点第三次接收到超声波信号后关闭超声波接收中断，读出此时TimerA的计数值t4，并且关闭TimerA，然后利用三次得到的计数值t2、t3、t4来计算1号节点的位置坐标并显示在LCD屏上。8）1号节点延时5s后再次发射射频信号，整个过程如此循环，最终得到1号节点的运动轨迹曲线。具体软件流程图如图4.1所示：图4.1 系统总体软件流程图4.2 移动节点软件流程移动节点的软件流程图如图4.2所示：图4.2 移动节点软件流程图当移动节点三次接收到超声波信号时，会触发P2.5口产生中断，其中断执行子程序如下：/ Port 2 interrupt service routine#pragma vector=PORT2_VECTOR_interrupt void Port_2(void) switch(flag) case 2: /收到2号节点发来的超声波信号 TACTL &=0XFFCF; /暂停定时器 t2=TAR; TACTL =TASSEL_1+MC_1; flag=3; break; case 3: /收到3号节点发来的超声波信号 TACTL &=0XFFCF; t3=TAR; TACTL =TASSEL_1+MC_1; flag=4; break; case 4: /收到4号节点发来的超声波信号 TACTL &=0XFFCF; t4=TAR; TACTL =TASSEL_1+MC_1; flag=2; Calculate(); /调用计算1号节点坐标的函数 CCTL0 &= CCIE; /接收到最后一个数后关TimerA的1s定时 TBCTL = TBCLR; TBCTL |=TBSSEL_1+MC_1+ID_3; /利用timerB延时5s TBCCTL0 |= CCIE; /开TBCCR0的中断 TBCCR0=20000; break; default: break; P2IE &=0X20; P2IFG &=0X20; _BIS_SR(LPM0_bits + GIE); / 进入低功耗模式LPM0本系统中计算移动节点坐标采用的是加权质心算法，但是，由于四个单片机的时钟不能精准同步，对整个系统的测量造成了较大的误差，所以在编写算法之前，首先对实际测得的计数值和理论计数值之间进行了拟合来消除误差，然后再利用加权质心算法计算移动节点的坐标，主要计算过程的程序如下：/对测得的时间值做线性拟合之后来消除因时间不精准所造成的系统误差/h为节点离地高度，Vc为声速，在25时可取常数值346.575m/s l1=sqrt(Vc*(0.876*t2-27221)/320)*(Vc*(0.876*t2-27221)/320)-h*h); l2=sqrt(Vc*(0.8598*t3-26729)/320)*(Vc*(0.8598*t3-26729)/320)-h*h); l3=sqrt(Vc*(0.8296*t4-25802)/320)*(Vc*(0.8296*t4-25802)/320)-h*h); /*坐标算法加权质心法 x1=(x2/l1+x3/l2+x4/l3)/(1/l1+1/l2+1/l3); y1=(y2/l1+y3/l2+y4/l3)/(1/l1+1/l2+1/l3); 在实际的程序中使用通分，并且代入固定节点坐标之后的公式进行计算*/float l0=l1*l2+l1*l3+l2*l3; x1=(l1*l2*x4)/l0; y1=(l2*l3*y2)/l0;4.3 固定节点软件流程固定节点软件流程图如图4.3：图4.3固定节点软件流程图固定节点发送超声波的程序如下：TACTL = TASSEL_2; / SMCLK为时钟源（16MHZ）TACTL |=MC_1+TACLR; / 增计数模式,清计数器CCTL0 |=CCIE; /中断使能CCR0 = 400; / PWM波的周期（40KHZ）CCTL1 = OUTMOD_7; / CCR1选择为复位/置位输出模式CCR1 = 200; /占空比为50% 5. 实验分析5.1 射频发射距离测试1）射频的发射距离测试示意图如图5.1所示： 图5.1射频发射距离测试图2）测试条件：F04E电源电压：6V直流PWM波频率：1KHZPWM波峰峰值：3VJ04V电源电压：3V直流测试场所：室内测试温度：25测量工具：卷尺（精度：0.01m）3）数据记录：表5.1 射频发射距离测试记录表测试距离1.000米2.000米3.000米4.000米5.000米5.300米接收信号幅度3.0V3.0V3.0V3.0V3.0V3.0V4）测试过程波形图如图5.2：图5.2 射频发射距离测试波形图5）测试结论 经过测试证明，在室内情况下，射频信号的射程超过5米，在此范围内，信号幅度基本没有衰减，满足室内定位的要求。5.2 超声波发射距离测试1）超声波发射距离测试实物图如图5.3所示：图5.3 超声波发射距离测试实物图2）测试条件：超声波发射电路供电电压：6V直流电压超声波接收电路供电电压：3V直流电压MSP430单片机供电电压：5V直流电压超声波发射时间：0.5秒测试地点：室内测试温度：25测量工具：卷尺（精度：1cm）单片机TimerA计数的最大值：327683）数据记录：表5.2 超声波发射距离与计数值的关系距离计数值0.0cm50.0cm100.0cm150.0cm200.0cm220.0cm250.0cm260.0cm实验一3108631132311843123731290313183135531366实验二3108631131311833123731291313183135231369实验三3108631133311823123831290313193135631366实验四3108631130311833123731292313203135431362实验五3108431131311823123931291313183135331365在表5.2中，距离指的是超声波发射传感器和超声波接收传感器之间的距离，而计数值是指接收到超声波信号时TimerA的计数值（TimerA的计数值达到32000时产生中断）。4）实验结论与分析：1.实验结果表明，如果超声的发射传感器发射0.5s的超声波，当发射距离在260.0cm以内时，可以保证接收传感器接收到超声波信号，满足整个系统对超声波发射距离的要求。2由实验过程中记录的数据可以看出，由于四个单片机时钟之间的不精准，导致接收到超声波时TimerA的计数值都已经接近32000，即接收时间已经接近1s，显然与实际情况不相符合。因此，在实际计算移动节点坐标的时候加入了误差消除程序，如4.2节所描述的内容。5.3系统整体测试1）实验条件：1号节点电路供电电压：6V直流电压2，3，4号节点电路供电电压：3V直流电压MSP430单片机供电电压：5V直流电压2，3，4号节点距地面高度：191.0cm2号节点在地面的投影坐标：（0.0，120.0）（单位：cm）3号节点在地面的投影坐标：（0.0，0.0）（单位：cm）4号节点在地面的投影坐标：（120.0，0.0）（单位：cm）测试环境：室内温度：25测量工具：卷尺（精度：1cm）2）实验数据：表5.3 系统整体测试记录表（一） 单位：cm理论坐标实测坐标（50.0，50.0）（50.0，60.0）（50.0，70.0）（60.0，40.0）（60.0，50.0）实验一（55.0，59.0）（50.0，69.0）（55.0，71.0）（60.0，32.0）（61.0，58.0）实验二（56.0，57.0）（51.0，68.0）（53.0，70.0）（58.0，40.0）（63.0，60.0）实验三（52.0，54.0）（52.0，69.0）（55.0，76.0）（57.0，37.0）（62.0，58.0）实验四（57.0，56.0）（51.0，68.0）（56.0，74.0）（60.0，34.0）（63.0，59.0）实验五（54.0，53.0）（52.0，68.0）（53.0，75.0）（60.0，35.0）（62.0，59.0）平均坐标（54.8，55.8）（51.2，68.4）（54.4，73.2）（59，35.6）（62.7，58.8） 表5.4 系统整体测试记录表（二） 单位：cm 理论坐标实测坐标（60.0，60.0）