0 引言

    伴隨著現(xiàn)代社會通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革新，空間定位技術(shù)已經(jīng)進入了全新的領(lǐng)域。GPS、伽利略、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等已滿足人們對室外定位的社會需求。相比之下，在一定室內(nèi)環(huán)境下基于位置的服務(wù)相對匱乏，而此也越發(fā)的受到社會各界的關(guān)注。比如在隧道、倉庫、大型寫字樓、醫(yī)療設(shè)備等環(huán)境下都需要精確的位置信息，以此來對物品或者人員等實現(xiàn)安全可靠、系統(tǒng)全面的管理。

    目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，室內(nèi)環(huán)境下的位置服務(wù)技術(shù)成為新的研究熱點。超寬帶是一種短距離無線通信技術(shù)，具有高傳輸速率、高的時間和空間分辨率、低功耗、保密性好以及低成本等特點^[1]。本文基于超寬帶技術(shù)并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計了一款室內(nèi)移動目標定位系統(tǒng)，可實現(xiàn)對移動目標的準確定位和軌跡跟蹤。

1 超寬帶技術(shù)及優(yōu)化TDOA定位算法

1.1 超寬帶技術(shù)

    超寬帶技術(shù)是脈沖極其窄小的無線通信技術(shù)，該技術(shù)在通信時發(fā)射的脈沖通常是脈沖寬度小于1 ns的高斯脈沖信號。超寬帶技術(shù)無需載頻，它可以直接利用發(fā)射的窄脈沖來激勵天線、輻射電磁波^[2-3]。

    超寬帶通信是一種包含低頻率的長波，在非視距的復(fù)雜環(huán)境下更能顯示其優(yōu)勢，并且超寬帶信號可以在基帶中傳播。其收發(fā)信機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    從圖1中可見超寬帶信號在傳輸過程中無需載波混頻器與振蕩器的參與，信號的接收端也無需載波的恢復(fù)。這極大地簡化了收發(fā)信機結(jié)構(gòu)，提升了收發(fā)信效率。

1.2 優(yōu)化TDOA定位算法

    在對移動目標的定位過程中采用TDOA定位算法，即通過標簽發(fā)出信號的時間與基站接收到該信號的時間差來計算得到標簽與相應(yīng)基站的距離，從而確定標簽的位置^[4-5]。本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上對其進行了優(yōu)化，提高了定位的精準度。

    優(yōu)化的TDOA算法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點圖如圖2所示，Anchor1、Anchor2、Anchor3、Anchor4分別為4個基站節(jié)點，Tag1為移動標簽節(jié)點即被定位的目標物體。R₁、R₂、R₃、R₄分別表示移動標簽節(jié)點到4個基站節(jié)點之間的距離，r₂、r₃、r₄分別表示基站節(jié)點2、3、4到基站節(jié)點1的距離。

    系統(tǒng)運行時，基站1發(fā)送一個信號到整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其余基站接收到該信號并立即反饋給Tag1，Tag1接收到各基站的信號后，存下相應(yīng)基站信號的到達時間，并計算各基站與標簽的時間差。整個過程相當(dāng)于基站1的信號經(jīng)過不同路徑到達Tag1，解決了各基站時鐘同步問題。其通用表達式為：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    系統(tǒng)硬件由通信基站和移動標簽組成，通信基站和移動標簽的硬件結(jié)構(gòu)基本相同，以下將兩者統(tǒng)稱為定位模塊。定位模塊以STM32F105R8T6作為主控芯片，搭載有DWM1000通信模塊、脈沖信號發(fā)生器、Micro USB通信接口、模式切換開關(guān)及電源模塊。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    DWM1000工作時可以選擇接收和發(fā)送兩種模式狀態(tài)，可通過控制相關(guān)寄存器來控制工作狀態(tài)模式的切換。微處理器通過SPI對DWM1000無線收發(fā)芯片進行讀寫，完成通信設(shè)備之間的信息交換^[6]，其原理圖如圖4所示。

    Micro USB是USB 2.0標準的一個小型便攜式版本，Micro USB接口為五角接口，引腳數(shù)量極大地節(jié)省了控制器的引腳使用，同時該接口還支持OTG功能。其原理圖如圖5所示。

    為了使基站和移動標簽功能能夠集成在同一模塊上，方便使用，特設(shè)計了人性化的標簽/基站功能可以隨意切換的撥碼開關(guān)，同時可以根據(jù)二進制位數(shù)設(shè)置基站和標簽的號碼以區(qū)分，集成于定位模塊上。

    結(jié)合通信和供電接口的一體化設(shè)計，定位模塊的電源電路也進一步考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性等因素，選用TPS7333低壓差穩(wěn)壓器作為電源電路的核心器件。系統(tǒng)電源電路設(shè)計電路原理圖如6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    在設(shè)計過程中，將系統(tǒng)軟件分為了下位機與上位機兩個部分分別進行了設(shè)計。

3.1 下位機軟件設(shè)計

    下位機軟件開發(fā)環(huán)境采用CoIDE軟件，該軟件是由CooCox公司開發(fā)的ARM Cortex-MCU嵌入式集成開發(fā)環(huán)境。下位機軟件工作流程如圖7所示。

    下位機軟件的處理主要包括STM32處理器的復(fù)位、系統(tǒng)時鐘配置、定時器配置模塊、SPI和UART通信方式的讀寫、中斷處理等，還有通過微處理器的SPI初始化無線收發(fā)模塊DWM1000，在必要時需要配置芯片內(nèi)部寄存器，使其工作在實驗需求的模式。當(dāng)DWM1000模塊收到其他基站或者標簽發(fā)送的信息數(shù)據(jù)時，則會通過SPI方式向處理器發(fā)送中斷請求，接下來主程序中的中斷執(zhí)行程序即刻去判斷此刻中斷的類型以及接收信息數(shù)據(jù)的源地址，最終將處理后的測量數(shù)據(jù)信息封裝并發(fā)送給上位機進行實時監(jiān)控定位。

3.2 上位機軟件設(shè)計

    上位機軟件開發(fā)采用Qt（跨平臺的C++圖形用戶界面）編寫。上位機軟件的設(shè)計流程主要包括主線程、改進TDOA算法的計算線程、數(shù)據(jù)包接收和發(fā)送線程、數(shù)據(jù)包處理線程等主要環(huán)節(jié)。上位機軟件工作流程如圖8所示。

    上位機軟件運行時通過串口接收下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)包并對其進行解析處理，得到位置的原始數(shù)據(jù)；然后調(diào)用封裝的優(yōu)化TDOA定位算法函數(shù)，得到具體的位置信息；最后通過圖形顯示界面實時顯示定位目標。定位信息數(shù)據(jù)包格式如圖9所示，其各參數(shù)定義如表1所示。

    上位機圖形顯示界面如圖10所示，圖中0、1、2、3分別表示不同基站的參考點，左側(cè)基站信息列表中X、Y、Z分別表示各個基站相對基站0的實際距離，右側(cè)為標簽信息列表，可以顯示出某一個或多個標簽到各個基站的實際距離。

4 系統(tǒng)測試

    在實際室內(nèi)環(huán)境中，將4個定位模塊的基站安裝在相應(yīng)的四角位置，具體為在同比例實際室內(nèi)環(huán)境圖中將基站0 安裝在右下角，按逆時針方向確定其余3個基站。將同比例實際室內(nèi)環(huán)境圖導(dǎo)入上位機軟件，寫入各基站坐標，其中基站0為坐標原點，按實際距離確定其余基站坐標并填入上位機軟件相應(yīng)位置。

    將定位模塊的標簽安裝在一個可以移動的智能車上，用于模擬攜帶標簽的移動目標。當(dāng)智能車在該實驗場地中運動時，通過上位機的顯示界面可觀察到代表智能車的標簽點的實時位置及相應(yīng)的運動軌跡，實驗效果如圖11、圖12所示。在實驗過程中，系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定，定位的誤差在10 cm以內(nèi)。

5 結(jié)論

    本文基于超寬帶技術(shù)設(shè)計了一個室內(nèi)移動目標定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件采用集成式設(shè)計，體積小，易攜帶；相應(yīng)設(shè)計了一款上位機軟件，可實時顯示目標當(dāng)前位置及移動軌跡信息。系統(tǒng)中定位基站與定位標簽有各自的唯一標識，不會造成目標混亂，提高了對移動目標定位的準確性及穩(wěn)定性，實現(xiàn)了對室內(nèi)移動目標的定位和運動軌跡的觀測。

參考文獻

[1] 李傳真.淺談超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017(8)：21-22.

[2] SHI G，MING Y.Survey of indoor positioning systems based on ultra-wideband(UWB) technology[C].Proceedings of WCNA 2016，2016：20-59.

[3] 房秉毅.基于超寬帶技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32(7)：124-127.

[4] 張桀，沈重.聯(lián)合TDOA改進算法和卡爾曼濾波的UWB室內(nèi)定位研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39(13)：1-5.

[5] 楊凡凡.基于UWB的無線定位算法的研究與實現(xiàn)[D].沈陽：東北大學(xué)，2014.

[6] 曹祥紅，張華.基于UWB的地下停車場車輛定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40(9)：136-140.

作者信息:

徐  軍，李群群，王曰輝，馬  靜

(哈爾濱理工大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）