一种高精度室内移动物体定位标签的制作方法
【专利摘要】一种高精度室内移动物体定位标签，主要包括6个模块：电池模块、稳压模块、MCU模块、罗经模块、无线模块、超声波信号功放模块。其中，电池、稳压模块用于供电。当上位机呼叫标签后，MCU模块将数据发送给超声波信号功放模块，将电压信息进行放大驱动发声；同时，MCU会与罗经模块进行通讯，然后MCU将接收的罗经信息通过无线模块传递给上位机。本实用新型的优点在于定位精度达到10cm，定位时间在30ms内。主要用于GPS定位无法覆盖的室内定位如地下室、煤矿地下定位，以及需要极高精度定位的方面。
【专利说明】一种高精度室内移动物体定位标签
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及定位标签，特别涉及一种室内移动物体的高精度快速度的定位标 签。
【背景技术】
[0002] 目前，普通定位技术（如GPS定位）的覆盖范围仍然存在一定的局限性，定位精度 也不高。GPS卫星发射的无线电讯号太微弱，以至于无法穿透绝大部分的建筑物，所以对于 室内定位误差较大。蓝牙定位、光跟踪定位成本太高，而且定位的位置误差不太理想。高精 度声学定位技术可以解决以上不足，声学标签定位原理是基于空气中的超声波传播速度， 所以精度高且快速稳定，器件成本也比较低，具有很强的实用性，可用于室内移动物体的高 精度定位方面。
【发明内容】
[0003] 本实用新型的目的是设计一种基于超声波测量技术的，针对室内货物的高精度、 快速度的定位标签。
[0004] 为了达到上述目的，本实用新型高精度声学定位标签使用了 6个模块：电池模块、 稳压模块、MCU模块、罗经模块、无线模块、超声波信号功放模块。电池模块采用锂电池供电， 供电电压为5V电池容量为400mAh。电池模块供电给稳压模块，稳压模块为MCU提供稳定 的3. 3V电压。当上位机通过无线模块呼叫标签后，MCU模块开始把存储在单片机内的超声 波数据通过内部的DMA (Direct Memory Access直接内存存取）发送给超声波信号功放模 块。超声波信号功放模块是由LM4881芯片、变压器和超声波发送器组成。功放输出接变压 器对该信号进行电压放大后驱动发声，最后将电压信号转换成超声波发出；同时，MCU通过 I2C总线与罗经模块进行通讯，接收罗经数据，然后MCU将这些信息通过无线模块传递给上 位机，以上所有过程都在30ms内完成，且定位精度能达到10cm。
【专利附图】
【附图说明】
[0005] 图1是本实用新型的总体方框图；
[0006] 图2是本实用新型的软件流程图；
[0007] 图3是本实用新型的稳压模块电路原理图；
[0008] 图4是本实用新型的MCU电路原理图；
[0009] 图5是本实用新型的罗经电路原理图；
[0010] 图6是本实用新型的罗经参数计算定位图；
[0011] 图7是本实用新型的无线模块的电路原理图；
[0012] 图8是本实用新型的超声波信号功放模块的电路原理图；
【具体实施方式】
[0013] 如图1所示，本实用新型高精度声学定位标签中含有6个模块，电池模块、稳压模 块、MCU模块、罗经模块、无线模块、超声波信号功放模块。这6个模块中MCU是主控制单元， 它控制协调其他模块来共同完成各种功能。软件流程图见图2。
[0014] 当电压通过电池端输入后，由于系统需要稳定的3. 3V的供电电压，其值要求当输 入电压变化时它保持不变，所以采用了 TPS77333DGK芯片，该芯片可以将不稳定的输入电 压稳定在3. 3V，具体电路如图3所示。
[0015] 本实用新型需要长时间脱离电源单独工作，就要求功耗尽可能低，现采用超低功 耗MCU-MSP430F151，具体电路如图4所示。在发送声学信号时，要求在2ms内发送1500个 12位数据，普通的DA模块无法达到这个速度，现采用MCU中的DMA模块，可快速精确的传 送出信号。Μ⑶内部的I2C模块、SPI模块用来完成与无线模块及罗经模块的通讯。通过通 讯，MCU对整个系统进行协调管理，完成定位需求。
[0016] 在测量罗经参数来确定目标的朝向技术上，采用了 HMC5883芯片，具体电路如图5 所示。其中DRDY管脚是信号准备好管脚，可用于对MCU中断。SDA管脚的连接用于HMC5883 和MCU进行I2C通讯。HMC5883可分别在同一时刻测出3组16位数据，计算如下：
[0017] 如图6,坐标系的Χ、Υ轴在水平面内，X轴为前进方向，Υ轴垂直于X轴向右，Ζ轴 沿重力方向向下，从磁北方向顺时针到X轴的夹角即为方位角α。俯仰角φ为罗盘纵轴 与水平面之间的夹角，滚转角Θ为罗盘Ζ轴与过X轴的铅垂面之间的夹角。当罗盘不水平 时，测得重力加速度g在罗盘三轴方向的分量分别为Ax，Ay，Αζ，则根据坐标关系可求得俯 仰角和滚转角为：
[0018] =arcsin " g "
[0019] =;ircsin ? ^-1 L 8 J
[0020] 此时，磁传感器测出的地磁场在罗盘三轴方向的分量为Hx，Hy，HZ，由坐标关系得 水平方向磁分量：
[0021] Hx = Hxcos+Hzsin
[0022] Hy = Hxsin sin+Hzsin cos
[0023] 在无线通信方面，选择了 CC1100芯片，其电路如图7所示。电路图中管脚SI用于 数据的输入，CLK是时钟输入，S0数据输出，CSN用于芯片选择。以上四个管脚均是串行配 置接口，与MCU相连，用于SPI通讯。通过配置使用SI、CLK、CSN，可控制芯片的通讯在空闲、 休眠、RX/TX三种状态。⑶00与⑶02是CC1101的常规数字输出控制脚。在CC1101与MCU 通信时，GD00作为数据输入，GD02作为数据输出。需要对标签进行定位时，先由上位机通过 无线发送定位命令，标签接收，然后标签通过无线模块将测得的罗经和加速度数据传给采 样板。采样板在经过模数转换后传给电脑终端。无线通信采用433MHZ频率通信，发送数据 速率为76. 8KHZ，与MCU通过SPI通讯。
[0024] MCU将声学电信号传给超声波信号功放模块，功放模块中LM4881芯片进行信号放 大，并对后端电路提供驱动。LM4881为AB类功放，选择AB类功放是综合考虑了功放的功能 及价格。其实现电路如图8所示。图中AUDI0IN正是MCU传给LM4881的声学信号，与之对 应的是LM48810UT则是LM4881将放大后的信号再传回给MCU。经功放放大后的信号再经过 变压器进一步放大，放大后的信号经超声波发送器向外传送。为了获得较大的发送功率，选 择了 1:30的变压器，这些功率输出都由超声波信号功放模块驱动。
[0025] 上述的实施实例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对实用新型 的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计方案前提下，本领域中普通工程技术人 员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范围，本 实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
【权利要求】
1. 高精度室内移动物体定位标签中含有6个模块，电池模块、稳压模块、MCU模块、罗经 模块、无线模块、超声波信号功放模块，其特征是超声波信号功放模块是由LM4881芯片、变 压器和超声波发送器组成。
2. 根据权利要求1所述的高精度室内移动物体定位标签,其特征是所述的电池模块采 用锂电池供电，供电电压为5V电池容量为400mAh。
3. 根据权利要求1所述的高精度室内移动物体定位标签,其特征是所述的稳压模块采 用TPS77333DGK芯片，将电压稳定在了 3. 3V。
4. 根据权利要求1所述的高精度室内移动物体定位标签，其特征是所述的MCU模块采 用超低功耗的MSP430F151单片机，并使用了其中的DMA模块。
5. 根据权利要求1所述的高精度室内移动物体定位标签，其特征是所述的罗经模块采 用HMC5883芯片，并对其进行I2C通讯，配置使用其中的罗经确定方向的功能。
6. 根据权利要求1所述的高精度室内移动物体定位标签,其特征是所述的无线模块采 用TI公司的CC1101芯片，并对其进行了 SPI通讯，控制发送和接收无线信息。
7. 根据权利要求1所述的高精度室内移动物体定位标签，其特征是所述的超声波信号 功放模块采用了 LM4881芯片、1:30的小体积变压器和超声波发送器，传送超声波信号。
【文档编号】G01S13/74GK203870249SQ201320731940
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】吴玉肖, 李宇笛, 张超, 王冠男 申请人:中国矿业大学(北京)