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基于RFID的室内超声波定位系统

2014-12-07陆军轶

中国科技纵横 2014年7期
关键词:发射器接收器射频

陆军轶

(重庆大学自动化学院,重庆 400000)

基于RFID的室内超声波定位系统

陆军轶

(重庆大学自动化学院,重庆 400000)

室内定位技术在仓库管理等领域前景广阔。本文基于超声波和RFID技术设计了一种室内超声波定位系统。系统通过测得标识物体到空间固定点的距离来计算得到其二维坐标信息。位置信息可上传至主系统供进一步处理。本系统原理简单可靠,维护成本较低,可以在许多大型场所得到应用。

RFID 超声波测距 二维坐标 单片机

1 引言

小到室内机器人的跟踪定位,大到机场、仓库等场所的物资调度,室内定位系统都能发挥很重要的作用。无线电定位系统的基本原理是通过测出接收到的信号衰减度,求出接收点到发射点的距离,再计算得到物体的位置信息。但是,该系统在室内应用时精度却得不到保证。基于RFID的超声波定位原理与它相类似,但是一方面,声波较慢的特性保证了测距精度。另一方面,利用RFID对特定频率射频信号的识别特性,可以对位于室内不同位置的定位模块单独控制,提高了系统的准确性和灵活性。本系统可靠性高,维护容易,可以应用在许多大型场所。

2 系统原理

2.1 超声波测距原理

空气中,超声波的传播速率与温度有关,大致为

式中,T为空气温度。

当超声波传播时间t已知时,超声波走过的路程S可以表示成

时间t能够由单片机测得:在超声波发生器启动时,单片机也开始计数。接收器接收到超声波时触发中断,单片机停止计数。T可由测得脉冲数转换得到。

2.2 RFID频率识别

RFID技术有远距离存取、高速辨识和标签匹配等特点。将RFID读头能接收到的信号和发射器发射的信号设定在相同频段,则读头和发射器能够唯一匹配。这样一来,系统通过让发射器发射不同频率的射频信号,就可以触发相应的超声波发射电路,从而实现分时测距。

2.3 系统定位原理

室内定位系统的示意图如图1所示。图中,A、B、C、D是位于室内天花板四角的RFID—超声波定位模块,P为标识物体,h为超声波接收器离房顶的高度。

系统工作时,RFID发射器发射不同频率的射频信号,分时触发对应的定位模块发射超声波,被P处的接收器到。通过这种方法,系统得到了P到四个角的距离再利用三角原理,可以计算出P在图示坐标系下的二维坐标。

3 超声波定位算法

,在平面xOy中,O是A的投影点,PO间距

图1 超声波定位系统示意图

图2中,W是房间宽度,L是房间长度。物体P的坐标(x,y)可以由三角公式求得。在中,有

于是,P点的横坐标、纵坐标可以表示成:

实际上,从图2中4个三角形都能各自推导出P的坐标来,分别记作和即使当物体P由于位于盲区导致某一段距离无法得到时,系统仍然有足够的信息可以计算出物体的位置信息。一般地,通过求横纵坐标的算数平均值来减小测量误差。

如果系统已知目标物体Q的二维坐标为(x',y'),那么,Q相对于P的方位角以及距离r为

图2 超声波测距示意图

图3 系统硬件结构

4 系统硬件设计

系统硬件主要由两部分组成,一是固定在物体P上的标识模块,二是控制着各定位模块的主系统。系统结构如图3所示。

标识模块主要包括单片机、RFID发射器、超声波接收器以及Zigbee通讯模块。主系统主要由4个(或更多)RFID触发电路和对应的Zigbee通讯模块组成。

单片机控制RFID发射器分时向四周发射不同频率的射频信号(如低频125kHZ,135kHZ等),读头在接收到对应的射频信号后启动发射超声波。超声波接收器一般固定在物体顶部以便增强接收能力。待所有距离都测得后,单片机计算得到此时P的二维坐标,并可通过Zigbee通讯将位置信息上传到主系统。

5 结语

本文介绍了基于RFID的室内超声波定位系统,利用RFID的频率识别特性以及超声波的传播特性实现了对标识物体的二维定位。本系统实现简单,可靠性高,适合在仓库、机场等大型场所广泛应用。

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