基于移動手機的UWB定位技術研究

宋璐輝　崔巖

摘 要：UWB（Ultra-Wideband）是一種無載波通信技術，它利用納秒～微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，從而實現數百Mbit/s至數Gbit/s的數據傳輸速率，這是其他無線通信技術不可比擬的。

關鍵詞：UWB技術;室內定位技術;移動端定位

1 項目背景及應用現狀

隨著全國機動車保有量突飛猛進，與之配套的停車場規模越來越大。基于物聯網的智慧停車的概念也成為一個熱點。但如何實現智能定位快速找車的功能，成為是否真正體現智慧停車的技術瓶頸。

國外最早運用于室內停車的技術是無線射頻技術（RFID），RFID進定位的準確性取決于識別的角度，時間和信號的強度等。RFID在室內定位的好處主要是能夠在各種室內環境下進行定位，但缺點在于精度不夠高，只有在有大量的樣本標簽情況下才可以提高精度，這樣無疑極大的增加了工作難度和部署的成本。

國內也在使用類似方法。如，采用Bluetooth作為地下停車場的定位技術。Bluetooth的優勢在于組網簡單，價格低廉、安全性好、受眾廣泛。通過停車場內部署的多個Bluetooth的站點，人們可以通過手機建立與站點的連接，將車輛最近的Bluetooth站點作為分析車輛所在位置的依據。但Bluetooth的技術理論誤差高達10米以上。無線網絡的定位技術是另一個技術的方向。它需要根據網絡的信號強度以及位置信息庫兩個維度結合機器學習算法進行預測從而實現定位，同樣定位的精度不夠。

2 UWB技術分析

2.1 UWB定位原理

UWB技術顧名思義是超寬帶定位技術，UWB具有抗干擾能力強，定位精度高，部署簡單，成本低廉，功耗極小，通信速率高等眾多出色之處。與Bluetooth技術相比，UWB的功耗大約只有Bluetooth的1/20，精度是Bluetooth的10倍以上，UWB的通信速率也要比Bluetooth高出不少。

UWB大致可分為以下幾種：（1）根據信號強度進行定位，根據信號強度的差異來計算物體的距離，從而有效的判斷定位，即比較信號的發出方和信號的接收方的強度大小，通過算法計算出預測的距離大小，依據多個距離大小進行判斷車輛的位置，此種方法易受到外部環境的影響，導致信號出現不穩定性。（2）根據信號的到達方向進行定位，此種方法就是通過預測各信號發送的方向信息來進行定位，即通過天線矩陣實現對信號發送的方向進行收集，然后通過算法預測出其車輛的位置，此種方法和上一種方法均是依靠信號來判斷，因此，受環境的程度很大。（3）根據接收信號的時間來進行定位，此種方法主要是先對信號在各個站點所傳送的時間進行統計，然后對其進行距離的預測，將不同的多個預測值進行分析，從而進行車輛的定位。這種時間計算方法能夠受環境的影響較小，定位的精度比較準確，可以更好的實現定位的效果。

2.2 UWB定位方法

UWB定位方法最為恰當的是依據信號的反饋時間進行定位，根據信號反饋時間進行定位也大致可以進行分類，主要包括：根據信號的到達時間來進行定位和根據信號信號到達時間的差值進行定位。

2.2.1 根據到達時間進行預測

（1）單向判定。單向判定就是指在同一時刻，站點的發送方將信號傳遞給站點的接收方，站點的接收方對此信號到達的時間進行統計，并根據式（1）計算單項判定的時間，根據式（2）計算站點間的距離。

2.2.2 到達時間差值進行預測

到達時間差值預測主要是通過信號在站點之間傳送的時間差異來判斷站點的距離，但前提需要所有節點發送信號的時間是保持一致，這在實施上有很大的難度，并不能保證時間發送一致的精準性，而且其維護的成本也非常高，因此選取此方法作為定位的價值較小。

3 UWB車輛定位系統的設計

室內定位系統主要由四個模塊的構成：搭載UWB技術的移動手機模塊;車輛移動標簽模塊;UWB定位模塊;最后是服務器模塊。手機通過與服務器連接，發送對車輛位置的查找請求。根據手機提供的車輛信息，UWB定位模塊在停車場尋找相匹配的車輛標簽。從而完成車輛位置查找。

3.1 本系統的測距定位的方法

首先，移動標簽被激活等待測距，UWB定位模塊中的信源節點測得與移動標簽之間的距離，然后參照附近一個信源節點為參照，計算相對距離就能實現精準定位，本文選取的定位方法為雙向的到達時間預測法，以下對定位方法進行具體進行闡述。

本文系統UWB定位模塊主要包括：無線傳輸模塊、信源節點模塊以及計算處理模塊。測距流程如下：（1）確認移動標簽處于激活狀態，信源節點向移動標簽傳送信號，標記發送時間為te1;（2）移動標簽將信號接收時間記為tf1，然后向信源節點發送一個回應信息，此時時間記為tf2;（3）信源節點收到信號后，將接收時間記為te2。

由此，根據公式（3）可以計算出移動標簽的信號傳輸時間T。

各節點傳輸的信號為無線電信號，其傳播的速度與光速相近，可以根據公式（2）計算移動標簽和信源節點之間的距離D。

然后，信源節點就對移動標簽進行定位，取周邊一個信源節點為參照，建立信源節點的坐標，記（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），移動標簽坐標記為（a，b）通過移動標簽與信源節點的距離計算出移動標簽的坐標。

根據公式（2）計算出移動標簽與信源節點距離后，代入公式（4）就可以計算出移動標簽的坐標。

xn-a2+yn-b2-xn-1-a2+yn-1-b2=Dn-Dn-1（4）

3.2 各模塊的詳細設計

本文系統主要分為四大模塊，移動標簽、信源節點、計算處理模塊和服務器模塊。

3.2.1 信源節點和移動標簽的設計

移動標簽激活后，與服務器分配的地址連接，當信源節點發送信號，就可以被移動標簽記錄，然后發送回應消息和記錄時間;信源節點主要負責發送測距信號到移動標簽，記錄時間，同時通過無線網絡傳遞到服務器端進行計算處理，得出移動標簽的坐標。

信源節點的流程如下：（1）初始化時鐘，串口等資源，配置網絡;（2）發送測距信號到移動標簽節點，并記錄發送時間;（3）等待接收移動標簽的返回信息，并記錄到達時間;（4）信號傳送流程結束，信源節點將處理信號傳送至服務器端的處理模塊，流程結束。

移動標簽的流程如下：（1）初始化時鐘，串口等資源，配置網絡;（2）等待接收信源節點發送的測距信號，記錄到達時間;（3）發送信號響應信源節點，并記錄時間;（4）信號傳送流程結束，移動標簽將處理信號傳送至服務器處理模塊;（5）接收處理后的停車位坐標，流程結束。

3.2.2 核心計算層設計

核心計算是本系統的核心，核心計算模塊接收來自移動標簽和新源節點的到達時間后，根據協議進行解析數據包，并對應進行標號，并計算距離和移動標簽的坐標，同時以無線網絡的方式傳送到手機端，從而服務大眾。

3.3 服務器端設計

本文的服務器是手機端的瀏覽器通過http的get方法建立與服務器間的連接，和傳送請求數據，服務器收到信號后，向數據庫發送建立連接請求，就可以實現手機端的結果展示，以實現交互的效果。服務器端設計如下圖所示。

4 系統的測試

4.1 測距精度驗證

本文在室內停車場設置本文的UWB定位模塊和一個移動標簽，在測試過程中移動標簽在不斷的進行移動，取兩者距離為2米、5米、8米、10米等位置，每個距離進行一段時間的測試，分別求出80個距離的均值、誤差以及標準差。

4.2 定位精度驗證

以一個信源節點作為原點，將其他信源幾點標記坐標系，取兩點坐標系移動標簽點1，記（1，1.6），移動標簽點2，記（3，5.5），通過處理計算模塊最終計算出的兩節點位置分別為（0.937，1.511）、（3.068，5.383），兩節點實際誤差均在20cm內，定位精度較高。

5 結語

本文UWB精準定位系統的設計是在不斷總結各種系統的設計經驗和人們的調研需求基礎上，綜合考慮而形成的穩定可靠的系統，能夠滿足人們日常的停車的需要，不僅給人們的停車帶來快捷和便利，還為現階段無人停車場系統帶來新的技術應用啟迪。下一步將進一步優化系統的誤差，引入新算法進行改進，以最大可能提高定位系統的實用性。

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作者簡介：宋璐輝（1997— ），男，漢族，陜西咸陽人，研究方向：軟件工程專業;崔巖（1976— ），男，漢族，河北邯鄲人，高級工程師，研究方向：軟件工程、數據庫應用。