基于STM32 的三維空間無(wú)線(xiàn)定位

孫 婷

（北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

隨著科技發(fā)展，由中國(guó)的北斗、美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO 組成的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）能夠在地球表面任意地點(diǎn)為任何用戶(hù)提供定位服務(wù)。然而，由于該系統(tǒng)存在自身的局限性，很難在微弱甚至沒(méi)有信號(hào)的環(huán)境中進(jìn)行定位。地質(zhì)勘測(cè)、礦產(chǎn)開(kāi)采等戶(hù)外作業(yè)對(duì)于任何國(guó)家及社會(huì)的發(fā)展都具有重要作用。近年來(lái)，隨著煤礦、油氣資源勘探等應(yīng)用需求的不斷增加，對(duì)實(shí)現(xiàn)無(wú)GPS 信號(hào)的儀器定位提出了更高的要求。世界各國(guó)對(duì)于無(wú)線(xiàn)定位的研究主要集中在一般環(huán)境下即GPS 信號(hào)強(qiáng)的環(huán)境。針對(duì)微弱信號(hào)下的無(wú)線(xiàn)定位研究主要依靠軟件接收機(jī)的相關(guān)算法，算法難度和應(yīng)用成本較高。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了弱GNSS 信號(hào)軟件接收機(jī)，利用全比特補(bǔ)零算法捕獲信號(hào)，基于非相干結(jié)構(gòu)的跟蹤環(huán)跟蹤信號(hào)，通過(guò)BDS/GPS 粗時(shí)段導(dǎo)航偽距進(jìn)行定位。文獻(xiàn)[2]使用北斗二代信號(hào)，結(jié)合頻率估計(jì)與定位算法PMF-FFT 實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)條件下的精確定位。文獻(xiàn)[3]使用GPS 和北斗系統(tǒng)混合定位來(lái)應(yīng)對(duì)西藏等弱信號(hào)區(qū)域的應(yīng)急無(wú)線(xiàn)通信。

目前針對(duì)弱信號(hào)條件下的定位已取得一定研究成果，但無(wú)信號(hào)條件下的研究仍處于初步階段，還須不斷完善。此外，有線(xiàn)單片機(jī)通信系統(tǒng)布線(xiàn)復(fù)雜、人力物力消耗過(guò)大、成本較高，不適用于需要大規(guī)模布置數(shù)據(jù)采集儀器的地質(zhì)勘探和煤礦開(kāi)采等領(lǐng)域。基于上述研究現(xiàn)狀，本文從硬件設(shè)計(jì)出發(fā)，基于STM32F407 單片機(jī)進(jìn)行了儀器的三維無(wú)線(xiàn)定位研究。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要由STM32F407 單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信模塊、GPS接收模塊、測(cè)距模塊、液晶顯示模塊組成。系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示。其中，單片機(jī)A 為無(wú)信號(hào)環(huán)境下需要定位的儀器，單片機(jī)B、C、D 為可接收到信號(hào)的儀器。

圖1 系統(tǒng)框圖

以單片機(jī)B 為例，首先，利用搭載的GPS 接收模塊接收GPS 信號(hào)并計(jì)算得到單片機(jī)B 的三維位置，即經(jīng)度、緯度和高度；其次，利用無(wú)線(xiàn)通信模塊與單片機(jī)A 取得聯(lián)絡(luò)，獲取測(cè)距命令并進(jìn)行單向測(cè)距，并將測(cè)得距離顯示在液晶顯示模塊上；最后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊將獲得的信息告知單片機(jī)A，單片機(jī)A 在收到信息后將單片機(jī)B 的位置與相對(duì)距離顯示在液晶顯示模塊上。單片機(jī)C、D 重復(fù)上述操作，最終單片機(jī)A 處獲得其余三個(gè)單片機(jī)的位置及三個(gè)相對(duì)距離，通過(guò)數(shù)據(jù)仿真即可推斷出單片機(jī)A 的位置。由于實(shí)際場(chǎng)景位于曠野平原，地勢(shì)平坦，高度變化較小，求取單片機(jī)A 的高度時(shí)，可取單片機(jī)B、C、D 高度的平均值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)發(fā)板

本文所用單片機(jī)為STM32F407[4-6]，使用ARM Cortex-M4 32 位RISC 內(nèi)核，工作頻率高達(dá)168 MHz，包含高速嵌入式內(nèi)存，可連接到兩條APB 總線(xiàn)、三條AHB 總線(xiàn)和一個(gè)32 位多AHB 總線(xiàn)矩陣的各種增強(qiáng)型I/O 和外圍設(shè)備，是一款高性能且實(shí)用的開(kāi)發(fā)板，實(shí)物如圖2 所示。

圖2 STM32F407 單片機(jī)

2.2 液晶模塊

由于TFTLCD 模塊具有自動(dòng)化程度高、易于集成、低成本等優(yōu)點(diǎn)，本文選用驅(qū)動(dòng)芯片為ILI9341，支持64K 彩色顯示，使用以RGB565 格式存儲(chǔ)彩色數(shù)據(jù)并自帶顯存的TFTLCD 作為液晶顯示模塊。

2.3 GPS 定位

本文選用的GPS 定位模塊為BLOX NEO-6M，具有靈敏度高、精度高、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，能夠在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行定位。BLOX NEO-6M 模塊遵循NMEA-0183 協(xié)議，系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的定位信息的相關(guān)解析函數(shù)如下：

（1）可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)函數(shù)（GPGSV），提取可以搜到的衛(wèi)星總數(shù)、衛(wèi)星編號(hào)、衛(wèi)星仰角、衛(wèi)星方位角及衛(wèi)星信噪比信息。

（2）GPS 定位信息函數(shù)（GPGGA），提取GPS 狀態(tài)、正在使用的定位衛(wèi)星數(shù)、高度信息。

（3）當(dāng)前衛(wèi)星信息函數(shù)（GPGSA），提取定位類(lèi)型、定位衛(wèi)星編號(hào)、各精度因子的信息。

（4）推薦定位信息函數(shù)（GPRMC），提取UTC 時(shí)間（協(xié)調(diào)世界時(shí)）、緯度、南北緯、經(jīng)度、東西經(jīng)、UTC 日期。

2.4 無(wú)線(xiàn)測(cè)距

由于本文的設(shè)計(jì)要求為無(wú)線(xiàn)定位距離達(dá)到千米級(jí)，對(duì)比超聲波測(cè)距、激光測(cè)距、UWB 測(cè)距、雷達(dá)測(cè)距、紅外測(cè)距等模塊可知，只有激光模塊可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

應(yīng)用脈沖法進(jìn)行激光測(cè)距的原理為發(fā)射的激光在空氣中傳播，一旦有相關(guān)物體即目標(biāo)測(cè)量物擋住其傳播后就會(huì)反射，直到超聲波重新被接收，由計(jì)時(shí)器測(cè)量激光從發(fā)射到接收這一過(guò)程所需的時(shí)間。激光測(cè)距公式為：

式中：s為測(cè)量距離；c為傳播速度；t為傳播時(shí)間。

實(shí)物測(cè)試時(shí)，由于激光測(cè)距的成本過(guò)高，實(shí)物實(shí)現(xiàn)較為困難，因而使用測(cè)距原理相近的超聲波測(cè)距模塊[7-8]代替，超聲波的傳播速度為340 m/s。比較市面上多種型號(hào)的超聲波模塊，如HC-SR04、RCWL-1601、US-015、HY-SRF05、US-100 等，考慮到性能、成本等因素，選用性能較好的US-100 模塊。US-100 模塊的測(cè)距范圍大概為0.02 ～4.5 m，具有允許輸入電壓范圍大、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)置溫度傳感器可有效校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果，并支持GPIO、串行口等通信方式。US-100 模塊背面有模式選擇跳線(xiàn)，插入跳線(xiàn)帽時(shí)，在串行端口觸發(fā)模式下工作；拔下跳線(xiàn)帽時(shí)，在電平觸發(fā)模式下工作。

本設(shè)計(jì)中選擇電平觸發(fā)模式，在打開(kāi)開(kāi)發(fā)板電源即給設(shè)備上電之前，先卸下模式選擇跳線(xiàn)上的跳線(xiàn)帽，以將模塊置于電平觸發(fā)模式。使用電平觸發(fā)測(cè)距的時(shí)序原理如圖3 所示。

圖3 電平觸發(fā)測(cè)距時(shí)序原理

首先給超聲波US-100 模塊的Trig 端輸入一個(gè)作為觸發(fā)信號(hào)的10 μs 以上的高電平；然后，發(fā)射探頭會(huì)自動(dòng)循環(huán)發(fā)出8 個(gè)40 kHz 的脈沖；同時(shí)，Echo 端的電平變高，當(dāng)遇到目標(biāo)物體遮擋后反射的超聲波被模塊接收時(shí)，Echo 端電平變低，通過(guò)Echo 端維持高電平的時(shí)間和超聲波在空氣中的傳輸速度進(jìn)行距離計(jì)算。

2.5 無(wú)線(xiàn)通信

NRF24L01 無(wú)線(xiàn)通信模塊主要是通過(guò)電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)接收端和一個(gè)發(fā)射端即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信或一個(gè)接收端和六個(gè)發(fā)送端即一對(duì)六無(wú)線(xiàn)通信。該模塊采用串行外設(shè)接口通信，易與單片機(jī)進(jìn)行連接。由于有126 個(gè)調(diào)頻通道，可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)多點(diǎn)通信的需求[9]。只包含NRF24L01芯片的模塊的傳輸距離為5 m 左右，測(cè)量距離較短，加板載天線(xiàn)后的無(wú)線(xiàn)通信模塊在無(wú)遮擋空曠地的無(wú)線(xiàn)通信距離一般可以達(dá)到20 m 左右，但仍不滿(mǎn)足千米級(jí)的研究場(chǎng)景需求。因此，本次設(shè)計(jì)選用AS01-ML01DP5 無(wú)線(xiàn)通信模塊，在使用NRF24L01P 射頻芯片的基礎(chǔ)上，集成了RFX2401C 功放芯片，具有接收靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于自帶SMA-K 天線(xiàn)接口，傳輸距離可達(dá)2 km，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

NRF24L01 無(wú)線(xiàn)通信模塊作為接收端（RX）時(shí)，內(nèi)部最多可以同時(shí)存在6 個(gè)接收地址，通過(guò)配置可以分別啟用/禁用一個(gè)或多個(gè)接收地址。如果啟用了多個(gè)地址，當(dāng)RX 接收數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，依次進(jìn)行地址比較；當(dāng)?shù)刂纺軌蛲耆ヅ鋾r(shí)，RX 接收并處理數(shù)據(jù)[10]。雖然RX 有多個(gè)可以接收數(shù)據(jù)的通道，但NRF24L01 只有一個(gè)射頻模塊，同一時(shí)刻只能接收一份數(shù)據(jù)。如果使用多對(duì)一通信時(shí)，需要注意錯(cuò)開(kāi)各自發(fā)送時(shí)間。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 CH340 驅(qū)動(dòng)

當(dāng)代的電腦普遍使用USB 口代替9 針串口，如果將USB 口應(yīng)用為串口，則需要安裝驅(qū)動(dòng)。CH340 驅(qū)動(dòng)是一種連接計(jì)算機(jī)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)USB 到RS 232 驅(qū)動(dòng)程序的黑色連接線(xiàn)。與其他USB 轉(zhuǎn)串口的芯片相比，CH340 因成本較低且在一般場(chǎng)景性能已經(jīng)足以滿(mǎn)足使用需求，實(shí)際更受歡迎[11]。

3.2 程序燒錄軟件

本文設(shè)計(jì)中使用FlyMCU 將程序下載到單片機(jī)，它是一個(gè)免費(fèi)的、功能強(qiáng)大的STM32 最新的串行口燒錄軟件，可以幫助用戶(hù)連接到用于通信的串行端口，輕松地?zé)龑?xiě)程序，支持編程、校驗(yàn)、讀取設(shè)備信息，可以使用連續(xù)下載程序模式，已成為用戶(hù)進(jìn)行硬件調(diào)試的必備軟件。

3.3 串口調(diào)試助手

本文使用的串口調(diào)試助手為ATK XCOM。與其他的串口調(diào)試軟件相比，XCOM 具有使用界面簡(jiǎn)單大方、易于使用、能準(zhǔn)確地識(shí)別串口等優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)前期進(jìn)行測(cè)距校準(zhǔn)調(diào)試時(shí)大量使用此軟件。

4 實(shí)物測(cè)試及分析

本次設(shè)計(jì)的實(shí)物測(cè)試部分只實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備的定位、兩臺(tái)設(shè)備之間的測(cè)距和通信等功能。由于測(cè)距模塊本身的局限性，被測(cè)設(shè)備的表面需保持平整，否則所得數(shù)據(jù)與實(shí)際結(jié)果之間會(huì)出現(xiàn)較大偏差。實(shí)物測(cè)試如圖4 所示。

為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在程序中設(shè)置連續(xù)測(cè)量5 次距離，對(duì)5 次距離求平均值后再通過(guò)串口輸出1 次結(jié)果。本次設(shè)計(jì)的觸發(fā)方式選擇電平觸發(fā)，在連接好硬件后進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，串口調(diào)試助手XCOM 的主頁(yè)面上會(huì)自動(dòng)顯示每次的測(cè)量數(shù)據(jù)。分別對(duì)0.05 m、0.1 m、0.15 m、0.2 m、0.5 m、1 m 進(jìn)行測(cè)量，得到的結(jié)果及測(cè)量誤差見(jiàn)表1 所列。

表1 測(cè)距誤差

通過(guò)對(duì)表1 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)距在1 m 之內(nèi)的測(cè)量誤差基本在0.262 6%以?xún)?nèi)，為可控范圍。在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中必須保持收發(fā)端所設(shè)置的地址一致，否則會(huì)收不到數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量，若兩臺(tái)單片機(jī)之間無(wú)別的物體遮擋，在1.5 m的范圍內(nèi)收發(fā)端的數(shù)據(jù)可以保持一致即測(cè)量誤差為0，超過(guò)1.5 m 后數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象嚴(yán)重。考慮到室內(nèi)環(huán)境和無(wú)線(xiàn)信號(hào)的影響使其測(cè)量無(wú)誤差的范圍減小，若在空曠的室外環(huán)境下，其傳輸距離將會(huì)增大。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在STM32 單片機(jī)基礎(chǔ)上應(yīng)用GPS 定位、無(wú)線(xiàn)通信、無(wú)線(xiàn)測(cè)距等模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)信號(hào)室外儀器無(wú)線(xiàn)定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的誤差較小且測(cè)量精度較高。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)將超聲波測(cè)距模塊更換為激光模塊，增大測(cè)距范圍，更好地滿(mǎn)足應(yīng)用場(chǎng)景。