0 引言

    伴隨著現(xiàn)代社會(huì)通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革新，空間定位技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了全新的領(lǐng)域。GPS、伽利略、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等已滿足人們對(duì)室外定位的社會(huì)需求。相比之下，在一定室內(nèi)環(huán)境下基于位置的服務(wù)相對(duì)匱乏，而此也越發(fā)的受到社會(huì)各界的關(guān)注。比如在隧道、倉(cāng)庫(kù)、大型寫字樓、醫(yī)療設(shè)備等環(huán)境下都需要精確的位置信息，以此來(lái)對(duì)物品或者人員等實(shí)現(xiàn)安全可靠、系統(tǒng)全面的管理。

    目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，室內(nèi)環(huán)境下的位置服務(wù)技術(shù)成為新的研究熱點(diǎn)。超寬帶是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，具有高傳輸速率、高的時(shí)間和空間分辨率、低功耗、保密性好以及低成本等特點(diǎn)^[1]。本文基于超寬帶技術(shù)并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位和軌跡跟蹤。

1 超寬帶技術(shù)及優(yōu)化TDOA定位算法

1.1 超寬帶技術(shù)

    超寬帶技術(shù)是脈沖極其窄小的無(wú)線通信技術(shù)，該技術(shù)在通信時(shí)發(fā)射的脈沖通常是脈沖寬度小于1 ns的高斯脈沖信號(hào)。超寬帶技術(shù)無(wú)需載頻，它可以直接利用發(fā)射的窄脈沖來(lái)激勵(lì)天線、輻射電磁波^[2-3]。

    超寬帶通信是一種包含低頻率的長(zhǎng)波，在非視距的復(fù)雜環(huán)境下更能顯示其優(yōu)勢(shì)，并且超寬帶信號(hào)可以在基帶中傳播。其收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    從圖1中可見超寬帶信號(hào)在傳輸過(guò)程中無(wú)需載波混頻器與振蕩器的參與，信號(hào)的接收端也無(wú)需載波的恢復(fù)。這極大地簡(jiǎn)化了收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)，提升了收發(fā)信效率。

1.2 優(yōu)化TDOA定位算法

    在對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的定位過(guò)程中采用TDOA定位算法，即通過(guò)標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)的時(shí)間與基站接收到該信號(hào)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算得到標(biāo)簽與相應(yīng)基站的距離，從而確定標(biāo)簽的位置^[4-5]。本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，提高了定位的精準(zhǔn)度。

    優(yōu)化的TDOA算法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示，Anchor1、Anchor2、Anchor3、Anchor4分別為4個(gè)基站節(jié)點(diǎn)，Tag1為移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)即被定位的目標(biāo)物體。R₁、R₂、R₃、R₄分別表示移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)到4個(gè)基站節(jié)點(diǎn)之間的距離，r₂、r₃、r₄分別表示基站節(jié)點(diǎn)2、3、4到基站節(jié)點(diǎn)1的距離。

    系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，基站1發(fā)送一個(gè)信號(hào)到整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其余基站接收到該信號(hào)并立即反饋給Tag1，Tag1接收到各基站的信號(hào)后，存下相應(yīng)基站信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，并計(jì)算各基站與標(biāo)簽的時(shí)間差。整個(gè)過(guò)程相當(dāng)于基站1的信號(hào)經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)Tag1，解決了各基站時(shí)鐘同步問(wèn)題。其通用表達(dá)式為：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)硬件由通信基站和移動(dòng)標(biāo)簽組成，通信基站和移動(dòng)標(biāo)簽的硬件結(jié)構(gòu)基本相同，以下將兩者統(tǒng)稱為定位模塊。定位模塊以STM32F105R8T6作為主控芯片，搭載有DWM1000通信模塊、脈沖信號(hào)發(fā)生器、Micro USB通信接口、模式切換開關(guān)及電源模塊。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    DWM1000工作時(shí)可以選擇接收和發(fā)送兩種模式狀態(tài)，可通過(guò)控制相關(guān)寄存器來(lái)控制工作狀態(tài)模式的切換。微處理器通過(guò)SPI對(duì)DWM1000無(wú)線收發(fā)芯片進(jìn)行讀寫，完成通信設(shè)備之間的信息交換^[6]，其原理圖如圖4所示。

    Micro USB是USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)小型便攜式版本，Micro USB接口為五角接口，引腳數(shù)量極大地節(jié)省了控制器的引腳使用，同時(shí)該接口還支持OTG功能。其原理圖如圖5所示。

    為了使基站和移動(dòng)標(biāo)簽功能能夠集成在同一模塊上，方便使用，特設(shè)計(jì)了人性化的標(biāo)簽/基站功能可以隨意切換的撥碼開關(guān)，同時(shí)可以根據(jù)二進(jìn)制位數(shù)設(shè)置基站和標(biāo)簽的號(hào)碼以區(qū)分，集成于定位模塊上。

    結(jié)合通信和供電接口的一體化設(shè)計(jì)，定位模塊的電源電路也進(jìn)一步考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性等因素，選用TPS7333低壓差穩(wěn)壓器作為電源電路的核心器件。系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)電路原理圖如6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將系統(tǒng)軟件分為了下位機(jī)與上位機(jī)兩個(gè)部分分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    下位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境采用CoIDE軟件，該軟件是由CooCox公司開發(fā)的ARM Cortex-MCU嵌入式集成開發(fā)環(huán)境。下位機(jī)軟件工作流程如圖7所示。

    下位機(jī)軟件的處理主要包括STM32處理器的復(fù)位、系統(tǒng)時(shí)鐘配置、定時(shí)器配置模塊、SPI和UART通信方式的讀寫、中斷處理等，還有通過(guò)微處理器的SPI初始化無(wú)線收發(fā)模塊DWM1000，在必要時(shí)需要配置芯片內(nèi)部寄存器，使其工作在實(shí)驗(yàn)需求的模式。當(dāng)DWM1000模塊收到其他基站或者標(biāo)簽發(fā)送的信息數(shù)據(jù)時(shí)，則會(huì)通過(guò)SPI方式向處理器發(fā)送中斷請(qǐng)求，接下來(lái)主程序中的中斷執(zhí)行程序即刻去判斷此刻中斷的類型以及接收信息數(shù)據(jù)的源地址，最終將處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)信息封裝并發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控定位。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    上位機(jī)軟件開發(fā)采用Qt（跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面）編寫。上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)流程主要包括主線程、改進(jìn)TDOA算法的計(jì)算線程、數(shù)據(jù)包接收和發(fā)送線程、數(shù)據(jù)包處理線程等主要環(huán)節(jié)。上位機(jī)軟件工作流程如圖8所示。

    上位機(jī)軟件運(yùn)行時(shí)通過(guò)串口接收下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包并對(duì)其進(jìn)行解析處理，得到位置的原始數(shù)據(jù)；然后調(diào)用封裝的優(yōu)化TDOA定位算法函數(shù)，得到具體的位置信息；最后通過(guò)圖形顯示界面實(shí)時(shí)顯示定位目標(biāo)。定位信息數(shù)據(jù)包格式如圖9所示，其各參數(shù)定義如表1所示。

    上位機(jī)圖形顯示界面如圖10所示，圖中0、1、2、3分別表示不同基站的參考點(diǎn)，左側(cè)基站信息列表中X、Y、Z分別表示各個(gè)基站相對(duì)基站0的實(shí)際距離，右側(cè)為標(biāo)簽信息列表，可以顯示出某一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽到各個(gè)基站的實(shí)際距離。

4 系統(tǒng)測(cè)試

    在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境中，將4個(gè)定位模塊的基站安裝在相應(yīng)的四角位置，具體為在同比例實(shí)際室內(nèi)環(huán)境圖中將基站0 安裝在右下角，按逆時(shí)針?lè)较虼_定其余3個(gè)基站。將同比例實(shí)際室內(nèi)環(huán)境圖導(dǎo)入上位機(jī)軟件，寫入各基站坐標(biāo)，其中基站0為坐標(biāo)原點(diǎn)，按實(shí)際距離確定其余基站坐標(biāo)并填入上位機(jī)軟件相應(yīng)位置。

    將定位模塊的標(biāo)簽安裝在一個(gè)可以移動(dòng)的智能車上，用于模擬攜帶標(biāo)簽的移動(dòng)目標(biāo)。當(dāng)智能車在該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)上位機(jī)的顯示界面可觀察到代表智能車的標(biāo)簽點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)驗(yàn)效果如圖11、圖12所示。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定，定位的誤差在10 cm以內(nèi)。

5 結(jié)論

    本文基于超寬帶技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件采用集成式設(shè)計(jì)，體積小，易攜帶；相應(yīng)設(shè)計(jì)了一款上位機(jī)軟件，可實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)當(dāng)前位置及移動(dòng)軌跡信息。系統(tǒng)中定位基站與定位標(biāo)簽有各自的唯一標(biāo)識(shí)，不會(huì)造成目標(biāo)混亂，提高了對(duì)移動(dòng)目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的定位和運(yùn)動(dòng)軌跡的觀測(cè)。

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作者信息:

徐  軍，李群群，王曰輝，馬  靜

(哈爾濱理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）