基于TDOA的超声波室内定位系统的设计与现帛(4)

时间：2025-07-04

TDOA 超声波定位系统

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传感技术学报第２３卷

平脉冲信号，触发处理器中断以进行进一步的处理。本超声波收发模块的设计考虑了信号发射功率和接收灵敏度等多种因素的影响¨Ｊ，在不同的应用环境中需要进行相应的调整。２．３软件设计

ＴｉｎｙＯＳ是一种专用于传感器网络的典型操作系统。本设计即应用此操作系统，采用基于组件化编程的ｎｅｓＣ语言归１进行软件设计。

本定位系统的设计中，为了在寻址、身份识别、特征验证等操作时区分不同的节点，每个节点都被分配以独立的地址ＩＤ。此ＩＤ号由两个字节组成，可以通过修改ＴｉｎｙＯＳ系统文件中的ＴＯＳ—ＬＯＣＡＬ—ＡＤＤＲＥＳＳ参数进行配置。为了便于调试和扩展，设计时仅用到此参数的低字节，高字节内容设置为０ｘ００备用。表１记录了定位系统中各类节点ＩＤ地址的分配情况。

表１节点ＩＤ地址分配

节点ＩＤ地址范同

同步节点０ｘｏｏＯｌ一０ｘ０００８

信标节点Ｏ如１０１０～０】（００８Ｆ

移动节点０ｘ００９０～０捌００ＦＦ

汇聚节点

Ｏ）【（）Ｏｏｏ

由表１所示ＩＤ地址的分配情况可以看出：此参考设计中，系统最多可支持８个同步节点同时工作；对于不同的同步节点，与之进行同步的信标节点最多可支持０ｘ００７

０—０ｘ００７

Ｆ共１６个；移动节点最

多可支持０ｘ００９０—０ｘＯＯＦＦ共１１２个；汇聚节点设置为一个，ＩＤ地址为０ｘ００００。

因此，应用多个同步节点及与之对应的信标节点可以使得ＲＦ和ＵＳ信号范围覆盖整个定位区域，并且在必要时可利用ＩＤ地址的高字节进行扩展。下面介绍各节点的软件设计过程。

同步节点中ＩＤ地址为０ｘ０００１的节点在整个系统中起着主导的作用，其它的同步节点都以接收到此同步节点的同步消息作为时间的基准，在时间上做出相应的调整后，发出对应的同步信号。节点间同步偏差为微秒级且时间同定，能够通过一定的系统校正方法进行补偿，不会影响到系统定位的精度。在此不作考虑。

各信标节点的ＩＤ地址参数随程序烧写到程序存储器中，因此对于某个确定的信标节点而言，只能接收某个与之对应的同步节点的同步消息，做出相应的时间延迟后，同步地发出ＲＦ信号和ＵＳ信号，整个过程的流程图简要描述如图８所示。

移动节点接收到同步节点的同步消息后开始启动，同时获取此ＲＦ信号的信号强度值并与当前值进行比较，如果超过一定的阈值，则以发送此次同步消

万方数据

息的同步节点及其附属信标节点作为信号源，重启定时器，进行定位信息的测量，否则抛弃此同步消息，仍通过原同步节点及其附属信标节点获取定位信息。

图８信标节点工作流程图

根据ＴｉｎｙＯＳ系统中ＴＯＳ—Ｍｓｇ结构体定义，ＲＦ消息的数据域部分最大长度为２９个字节，所以当收到同步消息后，最多可采集６个信标节点的数据信息，等待定时器计数满后，在△Ｔ，时间范围内的随机时刻，将包含所采集到的与各个信标节点之间距离信息的数据包发送给汇聚节点。移动节点的工作流程如图９所示。

图９移动节点工作流程图

图中主定时器用于定时发送包含定位信息的数据包，从定时器用于计算接收自信标节点的ＲＦ信号和ＵＳ信号之间的到达时间差。

汇聚节点ＩＤ地址为Ｏｘ００００，所有的移动节点

TDOA 超声波定位系统

第３期韩霜，罗海勇等：基于ＴＤＯＡ的超声波室内定位系统的设计与实现

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都将采集到的数据信息发送至此地址。

３实验过程及分析

为了衡量本定位系统设计的可行性及定位精度，设计了以下实验进行分析验证：首先，测量多个确定距离上移动节点和信标节点间的ＴＤＯＡ值，根据时间和距离之间的关系应用最小二乘法拟合出定位系统的时间补偿参数；然后，应用此补偿参数验证系统在更远距离范围内的测距精度和稳定性等指标；在此基础上，设计定位实验，衡量系统的定位精度等指标。３．１系统校正

选取１个同步节点、１个信标节点、１个移动节点和１个汇聚节点，对应于２０

ｃｍ一２００

ｃｍ之间的６

个特定距离上分别采集４２组数据，此时的数据为测量得到的对应距离上ＲＦ和ＵＳ信号的ＴＤＯＡ计数值，每个计数对应于２５

ｕｓ。

图ｌＯ描述了对应实际距离和ＴＤＯＡ均值之间的关系。由图中可以看出，信号到达时间差ＴＤＯＡ与节点距离之间呈现比较良好的线性关系，本文运用最／ｂ－－－乘法对其进行直线的拟合。

萋

毒

蓉

吾

图ｌＯ

实际距离与ＴＤＯＡ之间的关系（环境温度２０℃）