采用超寬帶和遠(yuǎn)距離無線通信的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李正東 金釗 包信宗 王挺 李秀玲

摘? 要 針對GPS、北斗等無線定位系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的問題，采用超寬帶和遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)一種室內(nèi)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用雙邊雙程測距法、到達(dá)時間內(nèi)三角質(zhì)心優(yōu)化算法提高測距和定位精度，采用LoRa技術(shù)進(jìn)行基站間的數(shù)據(jù)傳輸。測試分析表明：定位系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境下工作穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精確定位功能。

關(guān)鍵詞 超寬帶；無線通信技術(shù)；定位系統(tǒng)

中圖分類號：P228.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0035-03

Abstract Aiming at the problem that GPS， Beidou and other wireless?positioning systems cant achieve indoor positioning， an indoor po-sitioning system is designed by using ultra-wide band and long-distance wireless communication technology. The system uses the?triangle centroid optimization algorithm in time of arrival to improve?the ranging and positioning accuracy. LoRa technology is used for data transmission between base stations. The test and analysis shows?that the positioning system has good stability in indoor environment， and can realize indoor precise positioning function.

Key words ultra-wide band; wireless communication technology; location system

0? 引言

當(dāng)前，GPS、GLONASS、北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)在室外環(huán)境中已經(jīng)獲得廣泛運(yùn)用，但由于建筑物對信號的遮擋，上述定位系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境不能實(shí)現(xiàn)定位功能。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的室內(nèi)定位功能，研究人員嘗試用Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙[1]、超聲波[2]、紅外線等多種無線通信技術(shù)進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明：以上技術(shù)均不能實(shí)現(xiàn)cm級的精確室內(nèi)定位需求。超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）技術(shù)不同于傳統(tǒng)的通信技術(shù)，它沒有載波信號，主要通過納秒級脈沖來完成數(shù)據(jù)的傳輸，時間分辨率較高，可極大提高定位精度。本研究主要利用超寬帶技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。

1? 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)為四層結(jié)構(gòu)：感知層、采集層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層。其中，感知層主要負(fù)責(zé)標(biāo)簽與基站之間UWB無線電的測距功能；采集層主要采用LoRa無線通信技術(shù)負(fù)責(zé)基站與數(shù)據(jù)集中器之間的信息交互；數(shù)據(jù)層利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)集中器的信息交互，并將數(shù)據(jù)存儲于服務(wù)器中；應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)應(yīng)用界面設(shè)計(jì)、定位算法實(shí)現(xiàn)、手機(jī)推送等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

從硬件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、基站、集中器、定位服務(wù)器組成。標(biāo)簽置于待測目標(biāo)上，基站安裝在室內(nèi)固定位置，標(biāo)簽和基站之間利用超寬帶無線通信技術(shù)進(jìn)行測距和定位；基站與集中器之間采用LoRa無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的無線傳輸；集中器與定位服務(wù)器之間采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通常，在設(shè)定四個定位基站的情況下，覆蓋范圍可達(dá)1萬平方米。

首先，標(biāo)簽先發(fā)送一個UWB無線信號，各定位基站截獲此信號后獲得信號接收時間，并計(jì)算得到各基站與標(biāo)簽之間的距離；其次，通過LoRa無線通信技術(shù)將距離信息傳送至數(shù)據(jù)集中器，再由數(shù)據(jù)集中器通過以太網(wǎng)傳輸?shù)蕉ㄎ环?wù)器；最后，由定位服務(wù)器調(diào)用定位算法對標(biāo)簽進(jìn)行精確定位。

2? 測距算法

測距是超寬帶定位的前提，主要通過測量兩個器件之間信號的飛行時間（Time of Flight，TOF）計(jì)算距離。光速乘以數(shù)據(jù)飛行時間即可得到傳輸距離。但是在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽和基站之間的時鐘不可能完全同步，而時鐘的不同步會引起極大的測距誤差。為規(guī)避時鐘同步問題，系統(tǒng)采用雙邊雙程測距（Double Sided–Two Way Ranging，DS-TWR）算法。DS-TWR測距算法采用兩次通信模式，能夠降低由時鐘偏移導(dǎo)致的誤差，從而在算法層面提高測距精度。DS-TWR測距數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

DS-TWR測距時間為：

使用DS-TWR測距方式時鐘引入的誤差：

其中，ka和kb分別為器件A、B時鐘的實(shí)際頻率和預(yù)期頻率的比值。在DS-TWR測距算法中，響應(yīng)時間是不需要相等的，便于MCU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。因此，DS-TWR測距是兼具高精度且易實(shí)現(xiàn)的一種測距方式。

3? 定位算法

到達(dá)時間法（Time of Arrive，TOA）的原理是通過測量不同基站接收同一個移動站定位信號的時間，從而計(jì)算出同一個移動站到不同基站的直線距離，然后通過畫圓定位方法求得移動點(diǎn)的位置。

通過測算，基站Si（xi，yi）（i=1，2，…，N）到待測移動目標(biāo)（x，y）的距離分別為di，建立以下方程組：

在平面中，TOA定位算法最少需要三個基站實(shí)現(xiàn)移動目標(biāo)的定位。其原理是以基站為圓心，以測得的距離為半徑畫圓，理論情況下可畫得三個圓，三個圓相交于一點(diǎn)即為移動目標(biāo)的位置。為提高定位速度和精度，可用相關(guān)算法如最小二乘法、內(nèi)三角質(zhì)心算法來確定目標(biāo)的實(shí)際位置。采用內(nèi)三角質(zhì)心算法[3]，TOA定位示意圖如圖3所示。

4? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從硬件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、基站、集中器、定位服務(wù)器組成。系統(tǒng)的主控制芯片采用ST Microelectronic公司的STM32F105RC[4]微控制器芯片，工作頻率為72 MHz，其內(nèi)置一個高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，256 K字節(jié)閃存、64 K字節(jié)SRAM。STM32F105RC包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，即I2C接口、SPI接口、I2S接口、USART接口、CAN接口、ADC接口等。UWB無線通信模塊主要采用半導(dǎo)體公司DecaWave公司的DM1000[5]射頻芯片。DW1000采用的是90 nm的CMOS工藝，數(shù)據(jù)傳輸支持110 kbps、850 kbps和6.8 Mbps的數(shù)據(jù)速率，可以工作在3.5～6.5 GHz的6個頻段。LoRa無線通信模塊采用Semtech公司的SX1276[6]射頻芯片，LoRa是一種將擴(kuò)頻通信應(yīng)用在低于1 GHz頻率的無線通信技術(shù)。LoRa技術(shù)通過擴(kuò)頻通信技術(shù)提高接收靈敏度，通過高接收靈敏度實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。由于傳輸距離增加，可以大幅減少中繼器的使用，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而大幅降低成本。

5? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的嵌入式開發(fā)軟件為Keil uVision 5，編程語言使用的是C語言，嵌入式軟件代碼主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始寄存器設(shè)置及測量標(biāo)簽到基站TOF，TOF與電磁波在真空中速度的乘積即為標(biāo)簽與基站之間的距離，由基站將距離信息通過LoRa無線通信模塊傳送到集中器，再由集中器傳輸給定位服務(wù)器，最后采用TOA內(nèi)三角質(zhì)心定位算法完成標(biāo)簽定位功能。上位機(jī)軟件運(yùn)行流程如圖4所示。

6? 實(shí)驗(yàn)與分析

選擇一間12 m×15 m的矩形房間作為測試場地，房間內(nèi)預(yù)先固定4個定位基站、3個標(biāo)簽。測試標(biāo)簽所得誤差值結(jié)果如圖5所示，此時測試誤差最小值為13 cm，最大值為23 cm，平均誤差18 cm。相對于Wi-Fi、藍(lán)牙等無線通信方式的米級誤差，室內(nèi)通信系統(tǒng)相對誤差減少為厘米級。由于干擾對室內(nèi)的定位精度有較大影響，在設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量減少干擾的存在，房間里不放置遮擋物以減少NLOS（Non-Light of Sight）對測量精度的影響。

7? 結(jié)束語

采用超寬帶技術(shù)和遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)構(gòu)建一套室內(nèi)無線定位系統(tǒng)，采用DW1000 UWB通信芯片完成室內(nèi)的精確定位功能，采用SX1276 LoRa通信芯片完成定位數(shù)據(jù)傳輸，解決定位基站布線復(fù)雜、成本較高的問題。系統(tǒng)采用DS-TWR測距算法及TOA內(nèi)三角質(zhì)心無線定位算法，并針對系統(tǒng)進(jìn)行代碼優(yōu)化，最終完成室內(nèi)定位功能。

參考文獻(xiàn)

[1]Oksar I.A Bluetooth signal strength based in door localization method[J].International Conference on Systems，2014：251-254.

[2]Lindo A， Garcia E， Urena J， et al. Multiband Waveform Design for an Ultrasonic Indoor Positioning System[J].IEEE Sensors Journal，2015（12）：1.

[3]魏培，姜平，賀晶晶，等.基于內(nèi)三角形質(zhì)心算法的超寬帶室內(nèi)定位[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2017（1）：289-293，298.

[4]SEMTECH．STM32F105xx datasheet[R/OL].（2020-10-24）[2020-12-01].www.semtech.com.

[5]DecaWave. DW1000 datasheet v2.11[R].Dublin，Ire-land： DecaWave，2016．

[6]SEMTECH. SX1276/77/78-137MHz to 1020 MHz Low Power?Long Range Transceiver[R/OL].（2020-10-01）[2020-12-01].www.sem-tech.com.