基于WSN+UWB的室內人員定位系統設計

基金項目：陜西能源職業技術學院科研創新團隊-低碳清潔能源與智能制造科研創新團隊；項目編號：2021KYTD06。2022年陜西能源職業技術學院校級自然科技重點（實用研究）；項目編號：2022KY07KJZSY。

作者簡介：魏璁琪（1993— ），男，助教，碩士研究生；研究方向：物聯網應用技術。

摘要：隨著社會發展，家長對幼兒安全越來越重視，幼兒園環境安全與否直接關系到兒童的健康及生命。為保障園區內幼兒狀況及安全，文章提出了一種室內人員定位系統設計，該系統在滿足基本定位需求的同時，采用了超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術，具有穿透性強、抗干擾和功耗低等優勢，其性能表現已超過藍牙和Wi.Fi，并以UWB技術作為主要技術依據，將無線傳感網絡（Wireless Sensor Network， WSN）技術與UWB技術相結合，設計了一款智能化的人員看護及定位系統，測試結果證明了該系統設計可滿足園區內人員監測及定位警報的需求。

關鍵詞：超寬帶（UWB）技術；無線傳感網絡（WSN）；人員看護；定位系統

中圖分類號：TP274+.2;TN921" 文獻標志碼：A

0" 引言

根據教育部發布的2023年統計數據，我國適齡入園兒童人數已超4 627.11萬，幼兒園及家長越來越關注園內安全及幼兒健康狀態。全國共有學前教育機構28.67萬所，按照城區、鎮區和鄉村3個地域分類標準來看，其中鄉村幼兒園數量最多，有94 051所，占全國幼兒園的比重為35%。但各地區幼兒園的園區條件和安全隱患差異很大，在鄉村幼兒園內，具有音視頻監控條件的園區且設備完全使用的占比例不足40%［1］。僅2021年全國幼兒園事故有 148起，100余人受傷或死亡，因此對幼兒園內兒童看護及人員定位進行實時安全監測十分重要。

傳統視頻安全監控有線方案系統布線多、功耗大、施工工序復雜，實現起來非常困難且檢測效果較差，并且部分無線方案，如藍牙以及ZigBee技術，其性能參數的穿透性較差或精度較低，作為室內定位技術具有一定的局限性，通過采用無線傳感網絡（Wireless Sensor Network， WSN）技術和超寬帶（Ultra Wide Band， UWB）技術相結合的方式，能夠有效地解決這一問題［2］。建立一套完整的室內人員看護及定位系統，對幼兒園園區人員狀態進行實時監測和定位預警十分必要。

結合上述原因，本文結合物聯網技術、無線通信技術、超帶寬技術及傳感器技術，設計了一套具有人員精準定位、異常報警、安全看護及數據遠程傳輸等功能的室內人員定位系統。

1" 關鍵技術

1.1" UWB技術

UWB技術是一種使用1 GHz以上頻率帶寬的無線載波通信技術。它利用的不是正弦載波，而是ns級的非正弦波窄脈沖波，UWB技術采用占空比很低的沖擊脈沖作為信息載體，是一種無載波擴譜技術［3］。它直接利用窄脈沖信號來傳輸信息，其工作頻段區間范圍為3.1～10.6 GHz，該技術能夠產生極短脈沖的信號發生源，通過高射頻頻率以達到系統高帶寬的效果，具有高數據傳輸率、高分辨率、頻段利用率高、傳輸靈活性好等優點。

目前，常見的室內定位技術包括超聲波、藍牙、Wi.Fi、ZigBee以及UWB等技術［4］。不同的室內定位技術有其特定的應用場景，主要取決于它們的優缺點。對目前成熟的室內定位技術的主要參數進行了對比，如表1所示。

根據表1可看出，UWB定位技術具有功耗低、抗干擾能力強、截獲率高和部署成本低等優點，因此UWB定位技術在各種室內定位技術中脫穎而出。由于UWB技術自身參數特性，具有較強的穿透性，即可減少環境因素對無線傳感網絡的影響，從而能夠保障園區內人員定位數據準確。低功耗的特點也延長了無線傳感器節點的檢測及待機時長，極大地減少了設備維護難度。UWB技術由于其高精度、強抗擾以及部署成本低，使得其在室內定位的準確度方面有較好的表現，并且已得到了廣泛的研究和應用，成為室內定位領域的研究熱點及方向［5］。

1.2" WSN技術

WSN是一種分布式無線傳感網絡，該傳感網絡中的傳感器節點通過無線方式通信，因此網絡設置及設備位置設置方式靈活可變，同時各節點可與互聯網通過有線或無線方式連接。在無線通信模式及相關協議下能夠形成一個多跳及自組織網絡，其主要特征為靈活、自組織、嚴格資源限制，并且需要實時處理同長時間的單任務串行處理并存，同時大部分時間保持低功耗狀態，主要實現了數據的采集、處理和傳輸3大功能［6］。

本文設計了一個包含數據采集層、數據傳輸層和管理應用層的3層WSN結構，系統利用Z-Stack協議棧內相關函數完成無線通信，其數據傳輸過程如下：傳感器節點將采集數據按照無線通信協議要求進行數據發送，將采集數據發送至匯聚網關節點，隨后由匯聚網關節點進行數據上行發送至管理節點，最終在管理節點中進行數據處理、存儲及呈現等。

其中，傳感器節點包括數據采集模塊、信息處理模塊、無線通信模塊及輔助電源，并主要負責人員數據采集、處理以及轉移等工作。基于ZigBee構建的無線傳感網絡如圖1所示。

ZigBee通信技術是一個由最高可支持65 535個無線數據傳輸節點組成的無線數傳網絡平臺，系統支持無線自組網［7］，在整個通信網絡范圍內，各節點通過彼此自動尋找，每一個ZigBee網絡數傳模塊之間能互聯互通，即使有某個ZigBee節點出現故障，正常通信的節點會尋找最近的正常網絡進行通信，保障了數據傳輸的通暢性。

2" 系統方案設計

對幼兒園室內外的環境進行勘察后，以物聯網的3層體系結構及傳感器的可擴展原則為基準，并采用WSN+UWB技術完成系統方案設計。基于WSN+UWB的人員定位設計系統架構如圖2所示。

（1）利用WSN技術，系統構建了完整的ZigBee無線傳感器網絡［8］，用于監測園區內兒童日常活動狀態、范圍以及人員大致位置，例如是否在教室、在休息室等。通過在休息室的床位布置壓力傳感器并在室內各場景布置紅外熱溫度傳感器進行數據采集，最終可根據數據信息判斷兒童當前所處的房間或戶外某區域。

（2）利用UWB技術，設計“1標簽+3基站”的園區兒童活動軌跡定位系統。3個基站必須設置在房間不同角落（即基站坐標不能重復），TAG以兒童手環或胸牌并隨身攜帶接收基站信號，通過壓力傳感器和紅外溫度傳感器來監測兒童的活動范圍，能夠幫助園區管理人員更深入地了解兒童活動情況，同時也為后續分析園區兒童行為方式提供數據支持。傳感器及基站布設方案如圖3所示。

2.1" 人員定位硬件方案

本設計以CH32V203單片機為主控芯片，控制UWB測距模塊發出UWB信號與標簽進行信息交互，利用TOA算法測量出標簽與基站之間的間距，將測距結果及各傳感器節點采集數據發送至終端上位機。

2.2" 人員看護設計方案

本設計按照圖3所示設置5組傳感器，分別為壓力檢測器（檢測床上壓力）、紅外溫度傳感器（教室）、紅外溫度傳感器（活動室）、紅外溫度傳感器（衛生間），選用數字傳感器用1表示對應傳感器有信號，用0表示對應傳感器無信號。通過對應檢測電平即可大致判斷出兒童所在區域范圍，系統信號判定條件及對應結果如表2所示。

2.3" 人員定位算法方案

本設計選用TOA算法進行人員定位，TOA定位算法測量如圖4所示。TOA算法是通過測量信號從發射源到接收器之間的傳播時間來確定位置，即“到達時間”算法。具體操作步驟如下：

（1）發送端在每次發送信號時，記錄下發送信號的時間戳，即發送時間。

（2）接收端接收到信號后，記錄下接收信號的時間戳，即接收時間。

（3）通過計算接收時間減去發送時間得到信號傳播的時間。

（4）根據光速和傳播時間的關系，可得到距離。

（5）通過多組距離測量，可使用三角定位法或者加權最小二乘法計算出目標位置。

根據已知光速為c，采用“1標簽+3基站”的TOA算法對TAG位置進行計算，TOA算法計算公式如下：

（x-x1）2+（y-y1）2=ct1=r1

（x-x2）2+（y-y2）2=ct2=r2

（x-x3）2+（y-y3）2=ct3=r3（1）

根據上述式（1），通過三角定位法進行計算，其方法如下：TOA算法使用前，需確定好各基站的位置（設置各基站初始坐標為A（x1，y1）、B（x2，y2）、C（x3，y3））。標簽到基站的距離r1、r2、r3為未知量，通過時間同步方式測得基站信號發出到標簽響應時間記為t1、t2、t3。其中，UWB信號的傳播速率為光速c，將響應時間t1、t2、t3分別乘以光速c就可得到各基站到標簽的距離 r1、r2、r3。

在上述公式中，只有TAG坐標（x，y）未知，通過求解該方程組，最終由3個基站以ct1、ct2、ct3的長度為半徑取3圓的交點，即為TAG所在位置，從而得到標簽坐標（x，y）。通過上述算法應用，在本系統設計中，只要3個（或3個以上）基站可組成一組定位基站，并使用TOA定位算法后能夠準確地對TAG坐標定位。

2.4" 人員看護及定位系統驗證

在管理節點處設置上位機軟件，最終將傳感器數據及UWB定位信息發送至上位機，通過上位機串口信息對采集信息及定位數據進行顯示及管理，人員看護及定位顯示界面如圖5所示。

根據上述UWB定位設計的測試結果表明，本設計系統可直觀地顯示傳感器采集信息及定位，并且定位精準至cm級，同時能夠通過上位機軟件對采集數據進行閾值設置，使得人員看護檢測及定位更加精準、實時，能滿足基本的園區兒童看護要求的同時可以精準定位兒童所在位置。

3" 結語

該室內人員定位及生命狀態監測系統可以實現對室內人員位置的精準定位，使用TOA算法使得定位精度在一定程度上有所提高，看護狀態監測可以實現對室內人員暫留時長的實時測量，后續還可以加入其他表征生命狀態的監測量，系統具有廣泛的適用場景。根據測試結果，該系統不僅能夠在幼兒園區域實現對人員的實時監控、數據分析和異常報警，還具有易于安裝、長續航、高效提示和性能穩定等優勢，因此具有很高的實際應用價值。

參考文獻

［1］盧彥文.留守與非留守幼兒入園適應現狀的比較研究［D］.桂林：廣西師范大學，2022.

［2］許勝.基于UWB的智能小車編隊系統設計［D］.南京：南京信息工程大學，2022.

［3］李玉峰，王君祎，李碩磊.一種基于UWB的高精度室內定位系統設計［J］.沈陽航空航天大學學報，2021（6）：68-76.

［4］郝晴晴.基于UWB的超高精度室內定位系統［J］.無線互聯科技，2021（16）：120-122.

［5］王鑫.基于UWB的室內目標三維跟蹤定位技術研究［D］.濟南：山東大學，2021.

［6］王遠來，呂嘉妮，李佳豪，等.基于UWB的高精度室內定位系統［J］.長江信息通信，2021（3）：111-114，117.

［7］宋孟華，王澤，劉雪梅，等.基于ZigBee和NB-IoT融合網絡的實驗室智能監控系統實現及應用［J］.自動化與儀表，2023（5）：101-104，109.

［8］韓詩林，常新峰.ZigBee無線網絡技術在森林防火中的應用［J］.電子設計工程，2023（8）：180-184.

（編輯" 沈" 強）

Design of indoor personnel positioning system based on WSN and UWB

Wei" Congqi

（School of Intelligent Manufacturing and Information Engineering， Shaanxi Energy Institute，

Xianyang 712000， China）

Abstract：" With the development of society， parents are paying more and more attention to the safety of young children. The safety of kindergarten environment is directly related to the health and life of children. To ensure the condition and safety of young children in the park， this article proposes an indoor personnel positioning system design. The system not only meets basic positioning needs， but also adopts Ultra Wide Band （UWB） technology， which has advantages such as strong penetration， anti-interference， and low power consumption. Its performance has surpassed Bluetooth and Wi.Fi， and is mainly based on UWB technology， This article combines Wireless Sensor Network （WSN） technology with UWB technology to design an intelligent personnel monitoring and positioning system. The test results show that the system design can meet the needs of personnel monitoring and positioning alarms in the park.

Key words： Ultra Wide Band （UWB）technology; Wireless Sensor Network （WSN）; personnel monitoring; positioning system