基于stm32單片機的超寬帶定位節點開發

2018-08-29 17:05:56孟祥寧肖響

科技傳播 2018年16期

孟祥寧肖響

摘要利用stm32單片機開發了UWB定位系統的錨節點及標簽節點，同時對電源切換電路、DWM1000模塊、單片機處理電路和串口電路盡心了設計，并利用脈沖信號到達差算法實現了測距。通過在樓頂天臺實際測試，開發的模塊精度能夠實現5cm且穩定性較強。

關鍵詞 stm32單片機；UWB錨節點；電源電路；精度

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）217-0121-02

1 硬件設計

超寬帶技術以其可以實現厘米級定位且具有抗多徑能力強、功耗低、帶寬寬等諸多優點，在各行業得到了廣泛的應用，其不需要載波，只需通過脈沖發射計算錨節點與標簽之間的距離即可獲得需要定位的節點的具體坐標。基站作為布置在定位區域中的錨節點，不停的對區域內的所有標簽節點通訊，實時獲取基站和標簽之前的脈沖到達時間，通過TOA算法獲取二者之間距離。通過隔爆兼本安型電源供電，可以實現基站實時供電。在本項目中，同時還考慮到井下掉電情況，備選鋰電池供電。基站硬件框架圖如圖1所示。

當隔爆兼本安店員電源持續供電時，系統自動斷開鋰電池供電，同時，對鋰電池進行充電，當掉電時，自動切換為鋰電池供電。從而給STM32單片機和DWM1000精確定位模塊供電。兩個模塊之間通過SPI接口連接，單片機可以對精確定位模塊進行配置并通訊，并對硬件進行了設計，單片機應用電路、精確定位模塊應用電路如圖2、圖3所示。

定位標簽通過廣播的形式向錨節點發送超寬帶定位信息，同時還包含一個2.4G的接收端用以接收上位機指令，其和錨節點間的硬件設計差別于串口電路和傳感器接口（由于后期可能將生理狀態兼容進來）。傳感器接口是從單片機上接出IO口，這樣就可同PC上位機進行實時數據傳輸。使用基站的PCB板子，焊接的時候將轉串口的元件焊接，同時焊接傳感器接口，便能實現標簽節點功能。

2 算法設計

在對超寬帶芯片編程時，共有兩種算法，一種是基于飛行時間的，另一種是基于時間刀叉差的，兩種算法都是利用標簽以廣播形式向錨節點發射信息的時間與脈沖在空氣中的傳播速度的乘機，通過該算法實現距離的獲取。

將信號飛行的時間和信號傳播的速度相乘，就可以得到發射機和接收機之間的距離。

具體計算過程如圖5，要定位的節點是B點，其在分別以P1、P2、P3為圓心以3個點到B點的距離為半徑的圓上，半徑即為接收機與發射機的到達距離，通過3個方程解方程組，可以計算出B點的具體坐標。

無論是TOA還是TDOA算法得到的方程組在通常情況下都是非線性的，極值點較難確定，因此有較多學者提出復雜性算法，如Chan、泰勒展開法等，但是這種算法適用于理想高斯噪聲的情況下，當存在測量誤差/非視距誤差的情況時，定位精度較差，由于卡爾曼濾波器的擬合特性和對非視距誤差的抑制，實現節點的定位跟蹤，解決了非視距誤差對定位精度影響極大的問題，鑒于篇幅有限，不做討論。

TOA算法計算出來的定位信息通過錨節點上傳給上位機，上位機主要包括一下幾個模塊。

1）系統配置模塊。包括標簽的ID號，時間到達間隔，錨節點具體坐標等。

2）TOA算法信息顯示模塊。主要包括TOA計算公式源代碼，調用了List View模塊控件，通過查閱DW1000芯片手冊可以獲取源代碼。

3）軌跡顯示模塊。模塊主要功能是對標簽實時定位結果通過軌跡的方式顯示出來，通過在上位機定義啟動按鈕，實現標簽的位置定位，通過“更新”按鈕，刷新定位信息，通過繪圖模塊的開發，可以實時顯示在上位機上。

3 定位精度測試

為了測試方便，利用鋰電池對基站板子進行供電如下將3個基站節點和1個標簽節點上標記A1，A2， A3和T1的標識。

第一步先將硬件設備安裝調試好，設置網絡IP地址，使得電腦可以跟中繼之間通信。點擊設置好的啟動按鈕，載入配置源文件，上位機即可得到定位信息并通過上位機顯示標簽節點的實時軌跡。

圖6所示為上位機界面截取的圖片。