室內移動目標定位系統設計

伴隨著現代社會通信技術的快速發展，無線傳感網絡技術的革新，空間定位技術已經進入了全新的領域。GPS、伽利略、北斗導航系統等已滿足人們對室外定位的社會需求。相比之下，在一定室內環境下基於位置的服務相對匱乏，而此也越發的受到社會各界的關注。比如在隧道、倉庫、大型寫字樓、醫療設備等環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安全可靠、系統全面的管理。

目前，無線傳感器網絡技術發展迅速，室內環境下的位置服務技術成為新的研究熱點。是一種短距離無線通信技術，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]。本文基於超寬帶技術並結合嵌入式系統設計了一款室內移動系統，可實現對移動目標的準確定位和。

1 超寬帶技術及優化TDOA定位算法

1.1 超寬帶技術

超寬帶技術是脈衝極其窄小的無線通信技術，該技術在通信時發射的脈衝通常是脈衝寬度小於1 ns的高斯脈衝信號。超寬帶技術無需載頻，它可以直接利用發射的窄脈衝來激勵天線、輻射電磁波^[2-3]。

超寬帶通信是一種包含低頻率的長波，在非視距的複雜環境下更能顯示其優勢，並且超寬帶信號可以在基帶中傳播。其收發信機結構如圖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盪器的參與，信號的接收端也無需載波的恢復。這極大地簡化了收發信機結構，提升了收發信效率。

1.2 優化TDOA定位算法

在對移動目標的定位過程中採用TDOA定位算法，即通過標籤發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籤與相應基站的距離，從而確定標籤的位置^[4-5]。本系統在此基礎上對其進行了優化，提高了定位的精準度。

優化的TDOA算法網絡節點圖如圖2所示，Anchor1、Anchor2、Anchor3、Anchor4分別為4個基站節點，Tag1為移動標籤節點即被定位的目標物體。R₁、R₂、R₃、R₄分別表示移動標籤節點到4個基站節點之間的距離，r₂、r₃、r₄分別表示基站節點2、3、4到基站節點1的距離。

系統運行時，基站1發送一個信號到整個系統網絡，其餘基站接收到該信號並立即反饋給Tag1，Tag1接收到各基站的信號後，存下相應基站信號的到達時間，並計算各基站與標籤的時間差。整個過程相當於基站1的信號經過不同路徑到達Tag1，解決了各基站時鐘同步問題。其通用表達式為：

2 系統硬件設計

系統硬件由通信基站和移動標籤組成，通信基站和移動標籤的硬件結構基本相同，以下將兩者統稱為定位模塊。定位模塊以STM32F105R8T6作為主控芯片，搭載有DWM1000通信模塊、脈衝信號發生器、Micro USB通信接口、模式切換開關及電源模塊。其整體結構圖如圖3所示。

DWM1000工作時可以選擇接收和發送兩種模式狀態，可通過控制相關寄存器來控制工作狀態模式的切換。微處理器通過SPI對DWM1000無線收發芯片進行讀寫，完成通信設備之間的信息交換

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，引腳數量極大地節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籤功能能夠集成在同一模塊上，方便使用，特設計了人性化的標籤/基站功能可以隨意切換的撥碼開關，同時可以根據二進制位數設置基站和標籤的號碼以區分，集成於定位模塊上。

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

3 系統軟件設計

在設計過程中，將系統軟件分為了下位機與上位機兩個部分分別進行了設計。

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件開發環境採用CoIDE軟件，該軟件是由CooCox公司開發的ARM Cortex-MCU嵌入式集成開發環境。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處理器的復位、系統時鐘配置、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初始化無線收發模塊DWM1000，在必要時需要配置芯片內部寄存器，使其工作在實驗需求的模式。當DWM1000模塊收到其他基站或者標籤發送的信息數據時，則會通過SPI方式向處理器發送中斷請求，接下來主程序中的中斷執行程序即刻去判斷此刻中斷的類型以及接收信息數據的源地址，最終將處理後的測量數據信息封裝併發送給上位機進行實時監控定位。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件開發採用Qt（跨平臺的C++圖形用戶界面）編寫。上位機軟件的設計流程主要包括主線程、改進TDOA算法的計算線程、數據包接收和發送線程、數據包處理線程等主要環節。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送的數據包並對其進行解析處理，得到位置的原始數據；然後調用封裝的優化TDOA定位算法函數，得到具體的位置信息；最後通過圖形顯示界面實時顯示定位目標。定位信息數據包格式如圖9所示，其各參數定義如表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，右側為標籤信息列表，可以顯示出某一個或多個標籤到各個基站的實際距離。

4 系統測試

在實際室內環境中，將4個定位模塊的基站安裝在相應的四角位置，具體為在同比例實際室內環境圖中將基站0 安裝在右下角，按逆時針方向確定其餘3個基站。將同比例實際室內環境圖導入上位機軟件，寫入各基站座標，其中基站0為座標原點，按實際距離確定其餘基站座標並填入上位機軟件相應位置。

將定位模塊的標籤安裝在一個可以移動的智能車上，用於模擬攜帶標籤的移動目標。當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籤點的實時位置及相應的運動軌跡，實驗效果如圖11、圖12所示。在實驗過程中，系統整體工作穩定，定位的誤差在10 cm以內。

5 結論

本文基於超寬帶技術設計了一個室內移動目標定位系統，該系統硬件採用集成式設計，體積小，易攜帶；相應設計了一款上位機軟件，可實時顯示目標當前位置及移動軌跡信息。系統中定位基站與定位標籤有各自的唯一標識，不會造成目標混亂，提高了對移動目標定位的準確性及穩定性，實現了對室內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的發展[J].數字技術與應用，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.基於超寬帶技術的室內定位系統[J].電子技術應用，2006，32(7)：124-127.

[4] 張桀，沈重.聯合TDOA改進算法和卡爾曼濾波的UWB室內定位研究[J].現代電子技術，2016，39(13)：1-5.

[5] 楊凡凡.基於UWB的無線定位算法的研究與實現[D].瀋陽：東北大學，2014.

[6] 曹祥紅，張華.基於UWB的地下停車場車輛定位系統設計與實現[J].現代電子技術，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 自動化學院，黑龍江 哈爾濱150080）

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