學(xué)士學(xué)位論文-室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)研究

I摘要本文設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)智能定位監(jiān)視驅(qū)動系統(tǒng)。設(shè)計基于紅外線與超聲波相結(jié)合的人體檢測器;設(shè)計終端攝像頭角度控制電路;設(shè)計了無線傳感器節(jié)點;設(shè)計了基于ZigBee的自組織無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議;設(shè)計了相應(yīng)的電源電路。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多點布控，紅外超聲波探測模塊進(jìn)行人體定位，主控端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，采用步進(jìn)電機(jī)控制攝像頭旋轉(zhuǎn)角度的控制實現(xiàn)一臺攝像機(jī)大范圍高精度的高效率的監(jiān)視系統(tǒng)?；就瓿墒覂?nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)的云臺智能驅(qū)動器及基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測節(jié)點設(shè)計；實現(xiàn)了室內(nèi)智能人體定位監(jiān)視系統(tǒng)?；赯igBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合紅外超聲波定位的室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)的方案是可行的。關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；紅外線及超聲波；攝像頭；步進(jìn)電機(jī)AbstractThisarticleisdesignedforindoorwirelesssensornetwork-basedintelligentpositioningdrivesystemmonitoring.

Designisbasedonthecombinationofinfraredandultrasonicdetectorbody;designofthecameraanglecontrolcircuitterminal;thedesignofwirelesssensornodes;designedbasedontheZigBeeself-organizingwirelessnetworkcommunicationprotocol;designofthecorrespondingpowersupplycircuits.

Wirelesssensornetworknodewithmulti-pointdistribution&control,infraredultrasonicdetectionmodulebodypositioning,masterdataanalysisusedsteppingmotorcontroltocontrolthecamerarotationtoachieveawiderangeofhigh-precisioncamerasurveillancesystemwithhighefficiency.

Basicallycompletedtheindoorsmartintelligentheadpositioningsystemtomonitordriversandmonitoringbasedonwirelesssensornetworknodedesign;realizeindoorpositioningmonitoringsystemofhumanintelligence.

ZigBeewirelesssensornetworksbasedoninfraredultrasonicpositioningcombinedwithintelligentindoorpositioningmonitoringsystemisfeasible.

Keywords:ZigBee;wirelesssensornetworks;infraredandultrasonic;camera;steppermotor目錄目錄第一章緒論 11.1設(shè)計背景 11.1.1室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)的意義 11.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的背景 11.2室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)在我國的發(fā)展前景 31.3本文結(jié)構(gòu) 3第二章系統(tǒng)介紹 52.1系統(tǒng)方案 52.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 62.3系統(tǒng)功能 82.3.1無線傳感器節(jié)點 82.3.2無線攝像頭控制模塊。 82.3.3末端攝像頭監(jiān)控系統(tǒng) 9第三章系統(tǒng)分析及硬件設(shè)計 103.1無線通信系統(tǒng) 103.1.1通信系統(tǒng)分析 103.1.2節(jié)點系統(tǒng)硬件設(shè)計 113.2人體定位系統(tǒng) 153.2.1定位原理與分析 153.2.2定位系統(tǒng)硬件設(shè)計 173.3攝像頭控制系統(tǒng) 193.3.1攝像頭驅(qū)動系統(tǒng)分析 193.3.2攝像頭控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 193.4電源顯示模塊 22第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計 234.1系統(tǒng)的主要程序流程 234.2ZigBee用戶應(yīng)用程序 25第五章實驗及數(shù)據(jù)分析 265.1紅外超聲波定位系統(tǒng)實驗及數(shù)據(jù)分析 265.2通信系統(tǒng)實驗及數(shù)據(jù)分析 285.3模糊PID控制在電機(jī)中的試驗 30結(jié)束語 32參考文獻(xiàn) I致謝 I第一章緒論P(yáng)AGE31第一章緒論1.1設(shè)計背景1.1.1室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)的意義傳統(tǒng)的室內(nèi)監(jiān)視方式，大多采用定點監(jiān)視，每個區(qū)域設(shè)置固定監(jiān)視，監(jiān)控人員只能監(jiān)視當(dāng)前監(jiān)視面的情況，再或者人為的控制攝像頭的監(jiān)視角度，去調(diào)整監(jiān)控面，無形中加大了工作量，并且存在監(jiān)視“死角”等問題。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加入，大大減少了攝像頭按放的數(shù)量以及監(jiān)控室工作者的工作量并且提高了監(jiān)視的準(zhǔn)確性。1.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的背景近年來,工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域,而無線通信取代傳統(tǒng)的通信手段將成為自動化系統(tǒng)通信的一個重要方向,由此產(chǎn)生了基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的全新概念。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、工業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛而巨大的潛在應(yīng)用價值,尤其是在環(huán)境惡劣、人類無法到達(dá)的應(yīng)用中有著不可替代的作用。鑒于它的巨大應(yīng)用價值,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究快速發(fā)展起來。美國國防高級研究計劃署DARPA)和自然科學(xué)基金(NFC)相繼投入巨資支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究,重點集中在傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議設(shè)計、信息處理和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等方面。瑞士ABB公司制定的無線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)專家系統(tǒng)(WebsiteInformationServiceAs2sistant,WISA)協(xié)議,在可靠性方面制定了嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn),同時引進(jìn)實時RealTime技術(shù),從而確保了系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴iemens公司的ScalanceW無線LAN系統(tǒng)操作著超過3種無線協(xié)議,結(jié)合與無線接入相關(guān)的所有便利的特點,并結(jié)合了上位數(shù)據(jù)安全、關(guān)鍵客戶數(shù)據(jù)保存和802.11b/g/a開放標(biāo)準(zhǔn)的靈活性。DustNetworks公司攜手通用電氣傳感。儀器儀表有限公司(GESensing),共同研發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò),目前越來越多的企業(yè)開始關(guān)注并策劃加入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和營銷中來。2006年,我國政府將發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列入未來15年的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中,清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所、中國科學(xué)院軟件研究所、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、華東理工大學(xué)等單位相繼開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論研究,在節(jié)點體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、節(jié)點硬件設(shè)計、拓?fù)淇刂坪蛿?shù)據(jù)管理等方面取得了若干重要成果。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所在2006年世界園林博覽會的玫瑰園搭建了小型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)控玫瑰的生長環(huán)境。來自國際知名咨詢機(jī)構(gòu)ARC的研究數(shù)據(jù)顯示,2006年,全球工業(yè)無線通訊市場規(guī)模已超過13億美元,以15%的年增長率快速成長。無線通信作為當(dāng)今世界最具活力的新興技術(shù)之一,正一步步地滲透入工業(yè)控制領(lǐng)域。據(jù)市場調(diào)研公司ONWorld近期發(fā)布的一份報告,預(yù)計到2011年,世界市場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)系統(tǒng)與服務(wù)將飛升至約46億美元,比2006年增長5億美元。該市場規(guī)模是基于ONWorld近期對工業(yè)界終端用戶公司所做的調(diào)查得出的。調(diào)查顯示,現(xiàn)在有1/3的公司正在使用無線傳感和控制技術(shù),并且近一半的公司計劃在未來1.5年內(nèi),研究或計劃采用無線解決方案。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用具有巨大的市場前景,以污水處理領(lǐng)域為例:根據(jù)調(diào)研,國內(nèi)污水監(jiān)測系統(tǒng)的典型配置成本約30萬元,售價可控制在60萬元人民幣以內(nèi),而在國外,系統(tǒng)的售價一般約為30萬美元及以上,且還存在許多應(yīng)用于國內(nèi)環(huán)境亟待解決的問題,因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的市場前景非常廣闊,蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)價值。1.2室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)在我國的發(fā)展前景目前我國室內(nèi)人體定位大多基于紅外線或可移動生源，例如三菱電機(jī)將于2006年12月中旬開始，陸續(xù)推出可根據(jù)人體位置提升節(jié)能、舒適性能的家用空調(diào)“ZW（三菱家用空調(diào)霧峰）”系列的7款產(chǎn)品。將室內(nèi)分成500個區(qū)域測定溫度。新產(chǎn)品通過一種稱為“人感MoveEye”的紅外線傳感器檢測人的位置。傳感器安裝在室內(nèi)機(jī)的下側(cè)中央位置，面向斜下方。可自動進(jìn)行左右轉(zhuǎn)向。能夠以大約1分鐘內(nèi)在160度的范圍內(nèi)完成一個來回測試，對室內(nèi)地板和墻壁的溫度進(jìn)行檢測。室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)的很大程度上的發(fā)揮了無線技術(shù)，該系統(tǒng)構(gòu)建Mesh結(jié)構(gòu)的自組織、多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)，定位人體位置，從而通過末端的舵機(jī)控制攝像頭的角度，達(dá)到監(jiān)視的目的。1.3本文結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)設(shè)計基于無線傳感器視頻網(wǎng)絡(luò)，解決室內(nèi)智能定位監(jiān)視的攝像頭監(jiān)視面小的問題。具體設(shè)計主要劃分為三個部分，分別是無線通信部分、人體定位部分、攝像頭控制部分。首先，系統(tǒng)的無線通信傳輸采用了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點技術(shù)，設(shè)計出了符合室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)的無線節(jié)點；通過無線傳感器，改變了傳統(tǒng)攝像頭監(jiān)控的方式，實現(xiàn)了多點監(jiān)控；設(shè)計了符合該系統(tǒng)的通信協(xié)議。其次，系統(tǒng)的人體定位部分采用了基于紅外線和超聲波的人定位方式定位速度快并且準(zhǔn)確?；诩t外線和超聲波的人定位方式，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相結(jié)ZigBee協(xié)議的使用，確保了無線通信的成功。第三，為克服AUV舵機(jī)系統(tǒng)摩擦、飽和等非線性因素的影響，全面改善系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性，本系統(tǒng)的攝像頭控制驅(qū)動部分采用了模糊PID控制方式，設(shè)計出了舵機(jī)控制器。在通信節(jié)點上，通過大量的試驗與數(shù)據(jù)分析，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，解決了室內(nèi)智能定位監(jiān)視的攝像頭監(jiān)視面小的問題；并且，基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)智能定位監(jiān)視的系統(tǒng)，解決了行的攝像頭監(jiān)視面小的問題。本文通過對ZigBee技術(shù)的研究，應(yīng)用于室內(nèi)智能定位方面，并且闡述了硬件設(shè)計，軟件設(shè)計和理論。第二章室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)分析第二章系統(tǒng)介紹2.1系統(tǒng)方案系統(tǒng)通過采用紅外超聲波模塊定位感知人體位置，無線傳感器網(wǎng)構(gòu)成監(jiān)視面并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端控制器，從而終端控制器控制攝像頭的旋轉(zhuǎn)角度，將人自動出現(xiàn)在監(jiān)視面的角度,從而達(dá)到了智能定位人體的目的。依據(jù)室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)的通信技術(shù)要求，ZigBee術(shù)特點和技術(shù)優(yōu)勢，采用ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)室內(nèi)監(jiān)測是一個非常理想的無線數(shù)據(jù)通信解決方案。監(jiān)控點布置在室內(nèi)周圍，每隔一段距離布置一個監(jiān)視點節(jié)點，監(jiān)視節(jié)點上裝有紅外和超聲波定位裝置，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳到主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)分析記錄數(shù)據(jù)，判斷哪個區(qū)域有人，將控制信號發(fā)送給攝像頭控制模塊，繼而控制攝像頭轉(zhuǎn)向，對準(zhǔn)室內(nèi)有人區(qū)域。所構(gòu)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)線型發(fā)散的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以根?jù)實際的組網(wǎng)需要設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的顯著特色是應(yīng)用驅(qū)動,對于不同領(lǐng)域需要不同的關(guān)鍵技術(shù),本文的實質(zhì)性突破在于在眾多已有技術(shù)或者待研究的新技術(shù)中找到適合特定應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)解決方案,從而大規(guī)模推廣。為了推動大眾節(jié)能,本文研究開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位監(jiān)視系統(tǒng)。系統(tǒng)的人體定位部分采用了基于紅外線和超聲波的人定位方式定位速度快并且準(zhǔn)確?；诩t外線和超聲波的人定位方式，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相結(jié)ZigBee協(xié)議的使用，確保了無線通信的成功。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)有如圖2-1系統(tǒng)框圖和圖2-2硬件電路四部分構(gòu)成，分別是主控系統(tǒng)、傳感器節(jié)點、攝像頭驅(qū)動部分、攝像頭。系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示。v圖2-1系統(tǒng)框圖圖2-2系統(tǒng)整體硬件電路2.3系統(tǒng)功能2.3.1無線傳感器節(jié)點無線傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)采集室內(nèi)紅外及超聲波數(shù)據(jù)，通過自組織形成的多跳無線路由將人體所在去區(qū)域位置結(jié)果上報給上層攝像頭控制器；Mesh結(jié)構(gòu)的自組織、多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，實時監(jiān)視和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)。在多址接入技術(shù)支持下，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的MAC層設(shè)計與通常的典型無線網(wǎng)絡(luò)的MAC設(shè)計一樣，同接入點相關(guān)。由于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)不是單跳而是多跳系統(tǒng)，需要支持多跳的MAC設(shè)計。首先是就近Mesh路由器的接入選擇。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)路由連接和用戶終端接入狀況的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨地理位置、通信環(huán)境、用戶移動、WR布局等不同而不同，是變動的。Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端經(jīng)過3次跳轉(zhuǎn)接力，接入Internet接入點GW1，完成MAC過程。同一地區(qū)同樣的Mesh路由器和WGW布局，但Mesh拓?fù)溥B接不同，該終端在同樣位置，選擇同樣的Mesh路由器，要經(jīng)過4次跳轉(zhuǎn)接力，接入Internet接入點GW3，完成MAC過程。但如果選擇臨近的另外不同的Mesh路由器，可能只經(jīng)過2跳或3跳，就能接入GW1。因此，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的就近Mesh路由器的接入選擇，是動態(tài)的，與通常設(shè)計不同。典型的有應(yīng)用于IEEE802.11的多信道MAC技術(shù)協(xié)議(MMAC協(xié)議)，并考慮MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的交互，引入多信道協(xié)同子層(MCCL)，以此增加網(wǎng)絡(luò)能力。2.3.2無線攝像頭控制模塊。無線攝像頭控制器負(fù)責(zé)無線傳感器節(jié)點信息收集、存儲、分析和轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)檢測信息，采用模糊控制算法計算出合適的攝像頭控制角度，控制攝像頭的位置，達(dá)到了室內(nèi)監(jiān)視的目的。2.3.3末端攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)末端控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)所有信息的匯總、統(tǒng)計、分析和處理，通過對末端攝像頭步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度控制，達(dá)到了實時監(jiān)視室內(nèi)的人體的目的。第三章室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)硬件設(shè)計第三章系統(tǒng)分析及硬件設(shè)計3.1無線通信系統(tǒng)3.1.1通信系統(tǒng)分析本系統(tǒng)的通信如圖3-1成為一個關(guān)鍵部分，只有良好可靠的通信，才能通過節(jié)點上的數(shù)據(jù)定位人體的位置，控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。系統(tǒng)采用了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點技術(shù)實現(xiàn)無線通信。ZigBee技術(shù)一種新興的短距離、低速率無線組網(wǎng)通信技術(shù)。它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)與藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)來實現(xiàn)通信。這些傳感器只需很少的能量．以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳送到另一個傳感器。所以通信效率非常高。ZigBee是一個由多達(dá)65000個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，類似移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)。其中每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，在整個網(wǎng)絡(luò)范嗣內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)連接。微處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個節(jié)點的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務(wù)管理等，最主要的是需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全可靠的通信協(xié)議；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點進(jìn)行無線信，交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)。圖3-1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實物圖3.1.2節(jié)點系統(tǒng)硬件設(shè)計無線傳感器節(jié)點微處理器采用的是CC2420芯片，它是用于2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案。CC2420內(nèi)部整合了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)、內(nèi)存和微控制器。它使用一個八位MCU（8051），既有128KB的可編程閃存和8KB的RAM，還包含ADC、定時器、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器、掉電檢測電路等。微處理器全速工作時（32MHz），在接收和發(fā)射模式下，電流損耗約為27mA。CC2420的休眠模式及其從休眠模式轉(zhuǎn)換到工作模式的超短時間（在微秒級），特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。CC2420有21個可編程的I/O口引腳，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個可使用的位。通過軟件設(shè)定一組SFR寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計時器或USART部件的外圍設(shè)備I/O口使用。圖3-2CC2420工作圖根據(jù)CC2420的特性和軟件上的計算需求，我們采用ATmega16來驅(qū)動CC2420，高性能、低功耗的8位AVR微處理器的如下特點滿足ZigBee節(jié)點的系統(tǒng)要求：(1)先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)–131條指令–大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期–32個8位通用工作寄存器–全靜態(tài)工作–工作于16MHz時性能高達(dá)16MIPS–只需兩個時鐘周期的硬件乘法器(2)非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器–16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命:10,000次–具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作–512字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命:100,000次–1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM–可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密(3)JTAG接口(與IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容)–符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能–支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能–通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程圖3-3ATmega16硬件電路圖3.2人體定位系統(tǒng)3.2.1定位原理與分析現(xiàn)今GPS定位技術(shù)已經(jīng)在導(dǎo)航、測圖等方面得到了廣泛的應(yīng)用；而小型的基于紅外線和超聲波的定位技術(shù)則由于其體積小、電路簡單、價格低等優(yōu)勢，在小范圍定位方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。尤其在室內(nèi)和一些惡劣的條件下，GPS定位系統(tǒng)無法使用，超聲波定位技術(shù)就顯得更為必要。本文介紹了一種使用紅外線和超聲波的定位技術(shù)及其實現(xiàn)方法。超聲波定位技術(shù)的定位原理與GPS定位技術(shù)相同。即測量待測點到至少3個坐標(biāo)已知的固定點之間的距離，然后通過距離交會法求解出待測點位的三維坐標(biāo)。超聲波定位就是使用超聲波測量待測點到固定點之間的距離。但是超聲波在空氣中傳輸?shù)乃p很大，能傳輸?shù)木嚯x短，如果采用反射式測距法，則測量的距離更短，限制了超聲波定位的范圍；且采用反射式時，由于固定點一直處于發(fā)射超聲波的狀態(tài)，不管待定位點是否需要定位，因此功耗也浪費很大。本文使用了紅外線觸發(fā)定位信號的模式，在固定點上安置超聲波發(fā)射裝置和紅外線接收及解碼裝置(定位從機(jī))，在待定位點上安置超聲波接收裝置和紅外線編碼發(fā)射裝置(定位主機(jī))。當(dāng)接收到定位信號后，定位主機(jī)發(fā)射紅外編碼指令，同時計時器開始計時，當(dāng)定位從機(jī)接收到紅外編碼指令后，對其進(jìn)行解碼，并根據(jù)解碼結(jié)果決定是否發(fā)射超聲波信號，定位主機(jī)接收到超聲波信號后停止計時，計算出該紅外編碼指令對應(yīng)的固定點到該點的距離。這樣使得超聲波定位的距離擴(kuò)大了1倍，并且大大減小了系統(tǒng)的功耗。測得待定點到坐標(biāo)已知點的距離后，通過距離交會法解方程求出待定位點的三維坐標(biāo)。解算方程如下：式中：(X，Y，Z)為待定點坐標(biāo)，(X，Y，Z)、(X。，Yz，Zz)、(X3，，Z3)分別為固定點1、2、3的坐標(biāo)。在該方程組中，只有(X，y，Z)為未知數(shù)，可以求解出來。如果設(shè)置的固定點多，可以通過平差的方法提高精度。待定點到固定點的距離測量，是通過測量超聲波自固定點到待定點間的傳播時間，根據(jù)超聲波在空氣中的傳輸速度，計算出來。待定點在發(fā)射紅外信號后就開始計時，而固定點在接收到紅外信號后才開始發(fā)射超聲波，這中間有紅外線的傳播時間，但由于紅外速度遠(yuǎn)高于超聲波的速度，距離又比較近，因此可以忽略不計。以距離30m，紅外光速度為3*10。m/s，超聲速度為340m/s，則由紅外傳播口n時間引入的測距誤差為：340=0．034mm，而超聲波測距的誤差也在3cm左右，因此這個誤差完全可以忽略了。定位解算時，定位點到固定點之間的距離是通過測量超聲波的飛行時間計算出的，因此飛時測量在定位中非常重要。這里使用單片機(jī)計時來測量飛行時間。單片機(jī)的計時從接收到定位信號開始，到接收到超聲波信號為止。計時方式可以采用軟件計時，但軟件計時容易受到各種中斷的影響，從而使得計時出錯。本文使用外部中斷和計數(shù)器相結(jié)合的計時方式。超聲波接收電路的輸出接到單片機(jī)的外部中斷0，當(dāng)接收到超聲信號時，程序進(jìn)入外部中斷0的處理程序，在這里關(guān)計數(shù)器，并取出計數(shù)值。由定位原理，定位的范圍將受到單片機(jī)計時范圍的限制。當(dāng)采用12M的時鐘時，單片機(jī)的機(jī)器周期是：也即計數(shù)器增1的時間為1us，對十六位的計數(shù)器，最大的計時時間為：定位點與固定點的最大距離為：65.536ms×340m/s=22.3rn，這對小范圍內(nèi)的定位來說已經(jīng)足夠了。對于更大范圍的定位，可以采用計數(shù)器與程序計數(shù)相結(jié)合的方法，在計數(shù)器0的溢出中斷程序中，對軟件計數(shù)值增1，直到外部中斷的到來。3.2.2定位系統(tǒng)硬件設(shè)計紅外發(fā)射管采用的是SE303，電路圖如圖3-3所示。

圖3-3紅外發(fā)射電路紅外的接收電路與發(fā)射電路類似，不再贅述。超聲信號在傳輸過程中不可避免地混有環(huán)境中的噪聲，超聲波傳輸距離和角度的變化也會引起信號電平的變化。因此，接收時必須對原始信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，盡可能地減小這些因素的影響。設(shè)計了“測量脈沖調(diào)理電路”，由放大、濾波、限幅、檢波、積分、比較等單元組成。超聲信號經(jīng)過該電路后，形成一個脈沖，輸入單片機(jī)，使單片機(jī)停止計時。由于外界聲波的干擾，可能使得單片機(jī)響應(yīng)錯誤的信號，我們在接收電路里加了共振電路。超聲波發(fā)射裝置發(fā)射的是40kHz的聲波信號，因此使共振電路的工作頻率為40kHz，這樣，接收電路只對40kHz的超聲波信號有響應(yīng)，大大減少了外界的干擾。其電路圖如圖3-4所示。圖3-4超聲波接收電路3.3攝像頭控制系統(tǒng)3.3.1攝像頭驅(qū)動系統(tǒng)分析本系統(tǒng)的設(shè)計特點就是實現(xiàn)了一個攝像頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)方式的多個攝像頭監(jiān)視區(qū)域，為克服AUV舵機(jī)系統(tǒng)摩擦、飽和等非線性因素的影響，全面改善系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性，采用模糊PID控制方式，設(shè)計出了舵機(jī)控制器。模糊PID控制器由一個模糊控制器和PID控制器并聯(lián)組成。當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時，模糊PID控制器的輸出主要取決于模糊控制輸出：當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時，模糊PID控制器的輸出主要取決于PID控制輸出。對于此舵機(jī)系統(tǒng)，取切換點為0.5。為了使電機(jī)的走位更為準(zhǔn)確，達(dá)到精密控制的目的，本系統(tǒng)采用一種高精度的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方案。L297+L298(L6203)的經(jīng)典架構(gòu)，使用斬波恒流細(xì)分的驅(qū)動方法，在實際運行中具有良好的升降速曲線。實際運行表明，步進(jìn)電機(jī)運行穩(wěn)定，且具有步距角小、轉(zhuǎn)矩恒定、功耗低等優(yōu)點。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。在額定功率范圍內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)累積誤差較小等特點，使得在速度、位置等領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變得較為簡單。但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號發(fā)生器、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)驅(qū)動后方可使用。在本文中，詳細(xì)介紹了一種新穎的電機(jī)驅(qū)動方案，它具有功耗低，精度高，使用靈活等優(yōu)點。3.3.2攝像頭控制系統(tǒng)硬件設(shè)計在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，最重要的就是電流驅(qū)動及功率放大部分。本系統(tǒng)中，該部分選用的是L297+L298構(gòu)架如圖3-6，適用于對雙極性兩相步進(jìn)電機(jī)或單極性四相步進(jìn)電機(jī)的控制。L297主要用來接收信號脈沖，從而產(chǎn)生對功率級電路控制信號。L298為雙H橋驅(qū)動器，可用來驅(qū)動電壓為46V、每相電流為2.5A以下的步進(jìn)電機(jī)。若負(fù)載需更大電流驅(qū)動，可使用L297+雙L6203組合。L297的主要功能是譯碼器，它根據(jù)接受驅(qū)動脈沖信號產(chǎn)生所需的相序。為了獲得電動機(jī)良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號是通過兩個PWM斬波器對電動機(jī)控制，每個斬波器用于雙極性步進(jìn)電動機(jī)的其中一相或用于單極性步進(jìn)電機(jī)的每對繞組。圖3-6電機(jī)驅(qū)動電路3.4電源顯示模塊根據(jù)系統(tǒng)的電壓要求節(jié)點的電源和終端的電源采用不同的設(shè)計需求，節(jié)電量由單獨的的節(jié)點電源模塊來供電，其額定電壓是3.3V，額定電流是1A，具體電路設(shè)計如圖3-6所示。圖3-6，節(jié)點的電源模塊第四章室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)的實驗分析及軟件設(shè)計第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)的主要程序流程由于ZigBee軟件的特點，本系統(tǒng)研究的是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)和終端控制，如圖4-1是該系統(tǒng)的主函數(shù)流程圖，圖4-2是人體定位子函數(shù)圖4-1主函數(shù)流程圖圖4-2人體定位函數(shù)流程圖4.2ZigBee用戶應(yīng)用程序根據(jù)節(jié)點功能的不同，需要設(shè)計相應(yīng)的用戶應(yīng)用程序如圖4-2，對節(jié)點來說，程序是在它接收到遠(yuǎn)程控制中心的指令后從組建網(wǎng)絡(luò)開始的，節(jié)點再向其通信范圍內(nèi)的人體定位節(jié)點發(fā)送喚醒指令，同時等待新節(jié)點的入網(wǎng)請求。系統(tǒng)啟動后，首先初始化所有的硬件和軟件，并設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后初始化協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)建立成功后即進(jìn)入中斷的循環(huán)檢測和處理過程。UARTI是由遠(yuǎn)程控制中心下達(dá)指令引起的中斷。圖4-3用戶應(yīng)用層流程第五章實驗及數(shù)據(jù)分析5.1紅外超聲波定位系統(tǒng)實驗及數(shù)據(jù)分析在使用超聲波與紅外線的定位技術(shù)中，主要有以下幾個誤差源：超聲波速度誤差，電路延遲誤差，計數(shù)器計時誤差和距離交會的模型誤差，其中超聲波速誤差是最重要的。計數(shù)器的計時誤差和電路延遲誤差都可以通過加乘常數(shù)來校正。模型誤差可以通過改善固定點的分布來減小。對超聲波速度來說，影響最大的是環(huán)境溫度。溫度為t時的超聲波速為：。其中Co=332．17m／s為0℃時的超聲波速。并且從上式可以計算出，溫度每升高1℃，超聲波的傳播速度約增加0.6我們在溫度為26℃的實驗室內(nèi)采用設(shè)計的測距定位系統(tǒng)做了大量實驗，距離的精確值采用精度為2+2(即1km內(nèi)測距誤差不超過4ram)的全站儀測量，系統(tǒng)的超聲波波速設(shè)定為332．17m／s，為了提高測量精度，對測得的距離值進(jìn)行了溫度修正。實驗結(jié)果如表5.1所示。表140cm至300cm表5-1誤差實驗結(jié)果由表5.1可知，溫度的影響是超聲波測距中的主要誤差源，不考慮溫度影響時的測距誤差可以達(dá)到3cm多。經(jīng)過溫度修正后，誤差可以控制在1cm以內(nèi)。為了驗證超聲波不同傳播角度對測距誤差的影響，在與超聲波發(fā)射源相距3m、與超聲波主傳播方向有不同角度的位置處進(jìn)行了測距實驗，選取了0度、30度、45度、60度和90度等5個角度位置，每個角度位置處分別進(jìn)行了30式中：=30為測量次數(shù)．為單次測量值與測量均值之差。表5-2相距3m不同角度處的測距誤差。表5-2相距3m不同角度處由表5-2可知，定位點的不同的角度對測距精度也有較大影響。當(dāng)與超聲波主傳播方向的角度小于45度時，精度較高，隨著角度的增大測距精度降低，當(dāng)位于9O度位置時，測距精度最低，誤差達(dá)到了4.43cm5.2通信系統(tǒng)實驗及數(shù)據(jù)分析如圖5-1是在protues環(huán)境下仿真的通信協(xié)議，表5-3是協(xié)議的一般組成。圖5-1仿真協(xié)議說明頭地址指令長度數(shù)據(jù)校驗尾字節(jié)21110~N11表5-3一個數(shù)據(jù)幀的組成頭(Header):固定為2個字節(jié)0xFA,0xFC地址(Address):地址范圍是1-247.地址為0是廣播地址.指令(Command):具體指令描述見指令表.長度(Length):表示數(shù)據(jù)段的長度,范圍從0-N.其中N<=13.數(shù)據(jù)(Data):指令字段所帶的具體數(shù)據(jù).根據(jù)指令的不同,數(shù)據(jù)表示的意義也不同.校驗(Checksum):從”頭到數(shù)據(jù)最后一個字節(jié)”的異或操作.尾(Tail):固定為0x8A通過仿真可以看出，只有當(dāng)一個完整的數(shù)據(jù)包，才算是一次完整的通信，但是當(dāng)不同的協(xié)議時，會有不同的數(shù)據(jù)流，這樣協(xié)議的好壞就直接影響到了通信的質(zhì)量和通信的數(shù)度，在兩者之間找個一個最佳狀態(tài)是我們研究的一個重點，一個優(yōu)化后的的數(shù)據(jù)幀和良好的幀結(jié)構(gòu)，確保了通信的穩(wěn)定性、完整性和有效性。也通過這一系列仿真得出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)，解決監(jiān)視面小的方案是可行的。5.3模糊PID控制在電機(jī)中的試驗?zāi)：齈ID控制器由一個模糊控制器和PID控制器并聯(lián)組成。當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時，模糊PID控制器的輸出主要取決于模糊控制輸出：當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時，模糊PID控制器的輸出主要取決于PID控制輸出。對于此舵機(jī)系統(tǒng)，取切換點為0.5。階躍響應(yīng)如下圖5-2和圖5-3所示。圖5-2普通PID控制階躍響應(yīng)圖5-3變速積分階躍響應(yīng)通過上述試驗和數(shù)據(jù)分析基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)智能定位監(jiān)視的系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能定位、不斷捕捉監(jiān)視目標(biāo)、多點多角度、動態(tài)監(jiān)視的智能室內(nèi)監(jiān)視系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)攝像頭監(jiān)視面小、監(jiān)視“死角多”的問的方案是可行的。結(jié)束語吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文結(jié)束語傳統(tǒng)的室內(nèi)監(jiān)視方式，大多采用定點監(jiān)視，每個區(qū)域設(shè)置固定監(jiān)視，監(jiān)控人員只能監(jiān)視當(dāng)前監(jiān)視面的情況，再或者人為的控制攝像頭的監(jiān)視角度，去調(diào)整監(jiān)控面，無形中加大了工作量，并且存在監(jiān)視“死角”等問題。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加入，大大減少了攝像頭按放的數(shù)量以及監(jiān)控室工作者的工作量并且提高了監(jiān)視的準(zhǔn)確性。將本文所設(shè)計的預(yù)計ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)用于室內(nèi)智能定位監(jiān)視系統(tǒng)。經(jīng)測量在距離基站292m以內(nèi)的地方，數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地傳送到控制端，基本達(dá)到了預(yù)定設(shè)計目標(biāo)。通過對一下5點的設(shè)計與(1)設(shè)計基于紅外線與超聲波相結(jié)合的人體檢測器;(2)設(shè)計終端攝像頭角度控制電路;(3)設(shè)計了無線傳感器節(jié)點;(4)設(shè)計了基于ZigBee的自組織無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議;(5)設(shè)計了相應(yīng)的電源電路。得到了系統(tǒng)的響應(yīng)電路設(shè)計方案。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計簡單、開銷小、應(yīng)用范圍廣，適用于家庭自動化、健康醫(yī)療服務(wù)、無線自動讀表系統(tǒng)、智能小區(qū)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線T業(yè)控制、智慧型