基于UWB技術的樣品智能管理硬件平臺的設計

鄭小艷，張娟，武宏璋，王惠君，吳姣

西安計量技術研究院，陜西西安，710068

0 引言

檢驗檢測機構中高價值、高精密的樣品種類繁雜且流轉頻繁，需要在日常檢測和使用中精細保管，防止樣品發生混淆、丟失。由于傳統的條碼標簽的管理，存在易復制、只能在可視范圍內讀取信息、無法實時定位等問題，所以開發出高精度的智能管理系統尤為迫切。

針對器具樣品和機構固定資產，構建基于位置的物聯網技術物品可視化管理平臺，不僅方便內部操作人員的取貨查找，更方便客戶查詢和管理人員的實時監控，達到有效監督的目的，并為機構的流程管理提供基礎的數據支持。結合這些基礎數據的分析，也將在解決機構器具樣品及固定資產管理難題的同時，提升檢驗檢測流程的效率和質量。

經調研，目前廣泛應用的室內自動定位系統主要是紅外線定位技術、WLAN定位技術、藍牙定位技術、超寬帶定位技術（UWB技術），UWB技術是近年來新興的室內定位技術，它相較于以往技術的優勢是功率更低、速率更高、成本更低?；赨WB的室內定位技術不僅可以大大提高定位精度，還具有抗多徑衰落和穿透能力強等優點，本設計是基于DW1000超寬帶芯片，實現了一種高精度的樣品智能管理系統。

1 系統整體架構及定位原理

1.1 系統整體框圖

整個定位系統主要由定位基站、定位標簽和位置服務器軟硬件系統三部分組成，其中，定位基站和定位標簽均采用了UWB1000芯片。系統工作時，定位基站接收定位標簽發出的數據，并讀取其時間戳信號和獨有的ID，由微控制器打包發給位置服務器，位置服務器通過軟硬件系統解算標簽的位置坐標，并通過軟件平臺顯示標簽實時位置及狀態等信息。圖1所示為系統整體架構圖，數據流由標簽發出自下而上傳輸，控制流自上而下進行傳輸。

圖1 系統整體架構圖

基站和標簽構成了室內定位系統的硬件核心部分，在布局組網時，二維的平面的最簡化的定位系統至少需要用到三個基站和一個標簽，三維空間的最簡化定位系統需要四個基站，一個標簽，圖2為系統布局的示意圖。

圖2 系統布局示意圖

1.1.1 定位基站

在布局組網時，在室內空間上方的四個角落分別固定四個基站，基站在布局時應盡量避免遮擋物，首先在定位軟件系統設置空間坐標的原點，然后在設定四個基站的準確位置。標簽以可調頻率向基站發射無線脈沖信號，基站接收后會將信號轉化為數字信息發送給微處理器（MCU）進行數據處理，再根據定位算法計算出該標簽在三維系統中的具體坐標。

1.1.2 定位標簽

定位標簽在工作時，以可調的頻率向四周發送UWB無線脈沖信號，當標簽工作在基站所覆蓋的范圍就可以實現實時定位，如果標簽在移動，軟件系統可以根據不斷變化的位置坐標，繪制出標簽的移動軌跡。

1.2 系統的定位原理

本系統所設計的硬件平臺采用TDOA定位算法，簡單來說就是利用“到達時間差”計算距離的方法，詳細來說就是利用多個時鐘同步的定位基站同時接受來自一個標簽發出的廣播包，因為同一個標簽發出的同一次廣播包到達不同位置基站的時間不同。在定位時，只要保證定位基站之間的時鐘同步，不要求基站和標簽之間的時鐘同步，然后利用到達時間的不同的方法來定位，便于設計實現。標簽通過向位置確定的定位基站發送無線信號，可以計算出標簽到定位基站之間的時間差，又因為無線信號在空氣中的傳播速度為光速，所以，可以得到標簽節點到基站之間的距離，再依據雙曲線原理，使用最小二乘法，則可求出標簽節點的位置坐標，從而完成標簽定位。定位原理如圖3所示。

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圖3 定位原理圖示意圖

如上圖，假設在二維空間中，已知布局好的三個定位基站結點A、B、C的位置坐標，分別表示為：A（x1，y1）、B（x2，y2）、C（x3，y3）。假設標簽結點的坐標為T（x，y），T到A與T到B的距離差d1，T到A與T到C的距離差d2，再根據幾何原理，標簽節點T必定位于以定位基站結點A、B為焦點，與兩個焦點的距離差恒為d1的雙曲線上。同時，標簽節點T也位于以定位基站結點A、C為焦點，與兩個焦點的距離差恒為d2的雙曲線上，則有：

已知T到A距離為dA，T到B的距離為dB，則有：

根據（2）式，則有：

上式是一個關于x，y，dB的線性方程組，若是再增加兩個基站，則又增加了兩個線性方程，可以寫成矩陣形式，如下：

因為布局時，各個定位基站點的具體位置坐標都已知，因而可以求出x，y，dB得到位置標簽T（x，y）的位置坐標。

2 硬件總體設計方案

2.1 室內定位系統的硬件組成

本系統的硬件主要分為主控模塊、無線通信模塊、電源管理模塊和其他電路（復位電路、時鐘電路、顯示電路、LED電路）組成，如圖4所示，各模塊之間協同工作。基站和標簽的硬件核心部分相同。本文以標簽為例，主要就主控模塊、無線通信模塊、電源管理模塊的設計進行論述。

圖4 硬件系統模塊圖

2.2 主控模塊

定位模塊中的主控模塊主要由處理器（MCU）組成，在處理器的選擇上，采用了由意法半導體公司（ST公司）推出的互聯型系列微控制器STM32L151CCU6。設計時芯片使用3.3V電源供電。該芯片基于ARM Cortex-M3內核，主頻為32MHz，在實際工作中，DW1000芯片的中心頻率大于500MHz，由于500MHz遠遠大于32MHz，因此主控芯片不會對UWB芯片造成頻率上的干擾。芯片內部含有256K（256K×8）字節的FLASH和32K（32K x 8）字節的RAM、8KB EEPROM。硬件設計時，STM32L151CCU6除連接晶振的IO外，其他所有IO接口全部引出，方便擴展及開發。同時，芯片本身的I2C接口，16Mbps的SPI接口，USART接口，USB2.0接口也將根據實際需要設計相應的功能。

主控模塊是硬件平臺的核心，是定位基站與定位標簽的控制器，為DW1000電路提供時序及數據交互功能，為滿足系統時鐘源的精準度，采用外部時鐘無源8MHz晶振的方式提供時鐘信號，通過處理器內部鎖相環倍頻到32MHz為系統提供主時鐘。

圖5 STM32L151CCU6電路設計圖

2.3 無線通模塊

無線通信模塊核心芯片是DecaWave公司的DW1000無線收發芯片。按照數據手冊上的介紹最小定位誤差在10厘米以內，支持TOF測距和TDOA精確定位。DW1000的最遠傳輸距離為450米（直視距離，非直視距離為45米），芯片功耗低，可雙向測距和定位，電源設計時采用3.3V及1.8V供電。芯片工作的射頻波段為3.5GHz到6.5GHz。該芯片的功耗非常低，睡眠模式電流僅為1μA，深度睡眠電流僅為50nA，因此，在設計時，為定位標簽采用小容量電池供電提供了可能，該芯片擁有完整的MAC層支持軟件。同時有SPI接口，工作時，通過SPI接口和主控模塊的微處理器STM32L151CCU6通信，該芯片的原理圖設計如圖6所示。

圖6 DW1000電路設計圖

SPI接口的功能是可以使作為主設備的MCU與各種外圍設備以同步串行方式進行通信。微控制器通過SPI接口實現對從設備無線收發芯片DW1000的控制，主要是對其內部寄存器以及RAM的讀寫操作，發送控制命令。SPI接口是一個4線接口，其中SCK信號表示MCU產生的時鐘信號，完成對通信的時鐘同步，MOSI信號表示MCU的輸出數據以及DW1000的接收數據，MISO信號表示DW1000的輸出數據以及MCU的接收數據，NSS信號表示片選信號，由MCU控制。

2.4 電源模塊

該硬件平臺采用5V直流電源供電，其他的電源均由5V通過電源芯片轉化而成。本系統中電源種類涵蓋了5V、3.3V及1.8V等直流電源。系統供電框圖如圖7所示。

圖7 電源供電結構圖

3 PCB設計及實物

在PCB設計中，為了節約成本，采用雙層印制板設計，經過電路仿真，為了合理控制阻抗的匹配性，當電路信號線走線時，低速電路部分走線寬度設計為6mil。系統整體布局按照分組結構布置，圖8為PCB的元器件布局圖。

圖8 PCB元器件布局圖

4 系統測試

對系統做定位性能、測距測試、穩定性測試。測試時，信道的中心頻率設定為4GHz，脈沖重復頻率選取64MHz。在室內選擇一個無障礙的環境，選擇3m×4m的空地進行定位誤差測試，選擇長方形的4個端點布局上無線定位基站，測試人員手持標簽模塊按照逆時針方向依次從基站0開始走過基站1、基站2、基站3，最終再回到基站0，其定位軌跡如圖9所示。

圖9 定位軌跡圖

上圖中，移動標簽節點的定位測試按照一定的軌跡以正常步行速度沿劃定的實驗區域運動，圖中虛線框為測試軌跡，矩形框為實際運動軌跡。從測試結果上看，誤差不超過10cm。

在實際場景的應用中，配合軟件系統的顯示功能，可以清晰地顯示樣品的位置和移動的軌跡，并可以結合數據分析，對樣品實現智能化的管理。如圖10所示，為樣品移動的一段軌跡的顯示，經測試，定位誤差不超過10cm。

圖10 樣品移動軌跡圖

5 結語

本文設計的基于DW1000的室內樣品定位系統，設計原理簡單，易于實現，在檢驗檢測機構的樣品智能管理的應用場景中，能精確追蹤物品的行進軌跡，通過軟件系統的模擬，可以形成實時、透明、可溯源的樣品目標地圖，能為樣品的檢驗檢測提供豐富的應用場景，具有良好的應用前景。