基于超寬帶的室內測距系統

馮 爍 李吉源 馬 躍 王里康

（中國礦業大學徐海學院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

超寬帶技術在我們的生活中的應用得越來越廣泛，該文主要從3 個方面對超寬帶技術進行分析，分別為硬件組成、軟件算法以及概括總結。筆者采用最基本的設計方法，并對設計作品進行了數據處理。筆者對該系統進行了簡單的數據處理并得出結論，發現其有高精度的運行準確率。

1 系統結構總體框圖

超寬帶測距系統是在其定位系統的基礎上實現的，超寬帶定位系統主要由標簽、基站、終端3 個部分組成。其定位系統組成如圖1 所示。

圖1 超寬帶定位系統組成

2 系統硬件及基本性能

超寬帶在短距離信號傳輸上有著效率高、保真率好的特點，對于短距離的無線文件傳輸，超寬帶發揮了其基本優勢。超寬帶進行高精度測距是基于其信號的非正弦波窄脈沖寬度在亞納米級，可進行亞厘米級的定位和測距，在各個領域的測距中具有較大優勢。超寬帶具有較強的穿透能力，在應用中其能與其頻帶內的窄脈沖寬帶系統WLAN、GPS 等共存。

2.1 移動標簽

超寬帶的移動標簽主要是由主控模塊、射頻模塊、電源管理模塊構成，其主控模塊的芯片是由STC32 單片機構成，該芯片具有高性能、低成本、低功率等特點。STC 單片機上有對應的撥碼開關，一般情況下我們設置成on 為基站、off為標簽的形式。把STC 單片機上的撥碼開關撥到off 的位置就得到了移動標簽，選擇設置1 個STC 單片機為移動基站，2 個STC 單片機完成測距，3 個或3 個以上的STC 單片機可以實現測距定位一體的功能。移動標簽與設備相連接，用來接收數據并進行處理，這樣簡單的移動標簽就完成了。

2.2 定位基站

將STC 單片機上的撥碼開關撥到on 的位置，就可以得到定位基站。同樣的道理，電源模塊選擇了自帶的USB 供電模塊，并由5 V 轉3 V 的轉換器構成，移動標簽自帶一個穩定的電源供給系統，選擇一個小型的充電寶即可完成供電。圖2 就是在STC 單片機上進行改進的轉換模塊，筆者將所有的模塊與微處理器相連，UWB 信號收發器接收信號并發送給移動標簽，擔任信息傳遞的角色。預留USB2.0接口，目的是為了將程序寫入基站并且能讀取基站的數據。還可以通過USB 對內置電源進行充電。存儲模塊只能進行小規模的存儲，將接收到的信號先存儲然后傳送到微處理器進行信號處理，最后再通過UWB 信號收發器發送給終端。Wi-Fi 發送模塊與UWB 信號收發器一起使用，在發生故障時可代替UWB 信號收發器繼續發送信號。預留接口則是方便進行改裝或者在突發狀況下，便于進行替換而預留的。轉換方式如圖2 所示。

圖2 轉換方式

在存儲模塊中，對數據進行處理時用的是8M Flash 存儲芯片。選用原因是其PCB 板更小、更簡單。這樣可以更有效地進行降噪處理，減少制造成本，從而更好地發揮超寬帶的優勢。

3 系統軟件工作原理

筆者所用的測距方法十分簡單，一個基站一個標簽就能構成簡單的測距系統。如果要測量一個標簽多個基站，就要使用高效的交匯法，以一個基站一個標簽為半徑，以標簽為圓心做圓，這樣多個圓就會交匯于同一點，再根據各個基站發送的位置信息，我們就可以用根式方程式計算出各點的距離，延展開來我們還可以利用該方法進行定位，使位置距離信息更加準確。（X，Y）是移動標簽（中心點）的坐標，（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc）是3 個或3 個以上定位基站的測距坐標。d 是通過公式測得的距離，da是A點到中心點的距離，db是B 點到中心點的距離，dc是C 點到中心點的距離。計算公式及圖3 如下。

圖3 交匯法測距原理

ToF 全稱Time-of-Fight，就是飛行時間的意思。ToF，就是通過飛行時間來實現精確測距，是基站與標簽進行合作完成的，基站與標簽之間通過傳遞電信號，進而可以測量出時間。首先，當標簽需要測量時會發送poll 指令，基于超寬帶在短距離的優勢，每個基站都會發送反饋指令response[2]。這樣計算出2 兩者之間來回的時間，且測量精度達到亞秒級別，當然為了省時省電，我們會進行統一的集中處理數據。當標簽需要測距時發送poll 指令，所有的基站都會在毫秒級別的時間差中發送response 給對應的頻段。當標簽接收到所有的反饋之后，又會瞬間發送over。所有指令的時間單位都在精準的毫秒級別。當一個過程完成后，這時我們得到的來回時間差為T，V 為電信號的速度。根據公式S=T×V，計算出2 點之間的距離S。針對多數反饋存在測量精度不準確的問題，我們還可以利用新算法來解決?；贙eil 來編輯的程序需要經過反復調試，所以筆者將陳氏算法和泰勒級數相結合，陳氏算法初值估計能力好，泰勒級數展開收斂速度快，通過這樣的方式來提高運行效率，這樣測值將會更加精確。另外一種方式就是多次測量取平均值，在短時間內進行30 次運算，結合兩者可以大幅提高測距的準確度。

4 系統驗證

以普通住房為例，測距設備應該滿足體積小、功耗低等要求[3]，所以筆者進行了許多改進。為了驗證系統的可信性，進行了多次數據驗證，并舉例證明。首先驗證系統是否具有低功耗的特點。前文提到了該系統的節電方法，通過表1 我們可以得到相關數據，收發信號的電流都在毫安級別，小于市面上大部分的測距設備。通過系統測量以及人工測量，我們可以看到其精度差在±0.05 m，基本滿足測距要求。具體驗證數據見表2。

表1 2 點測距

表2 多點測距

表2 中A、B、C 分別是3 個移動標簽的位置，a、b、c 是3 個任意選取的測量點。利用交匯法測量9 組數據，再對9 組數據進行對比。

5 結論

該文設計的超寬帶室內測距系統充分發揮了其在非正弦波窄波脈沖數據傳播上的優點，相較于傳統的GPS 定位系統，超寬帶系統擁有更精準地定位算法，可以緩解高速因特網的負擔?？偟膩碚f，超寬帶的功能實現是建立在軟件和硬件相互配合的基礎上，它應用范圍廣，未來前景好，具備了諸多優良特性。超寬帶測距僅是其功能的一部分，我們還可以利用其進行精準定位。

雖然超寬帶室內測距系統非常理想，但是目前的技術不夠完善，其系統占用帶寬很高的問題并沒有得到很好地解決，大范圍的應用可能會干擾到其他的無線通信系統。但超寬帶系統在精準定位、傳輸速度和穿透力上都明顯高于目前的無線定位系統，極具發展潛力。由最近的市場調研可知，其市場推動力在逐年提高，發展前景光明，未來短距離高精度室內測距在市場必定會占有一席之地。