一種基于UWB的離位告警裝置

殷慶年　袁赫

摘要：現在很多需要對物體進行實時監管，防止重要物資丟失或盜竊，從而減少財產損失。本設計通過測距方式可以有效的解決物資監管問題。

關鍵詞：UWB；測距；單片機；

在一般的應用場合，被監管的物體需要人員定時巡查，并需要進行記錄，當被監管的物體數量比較多，同時物體又是運動狀態的情況，巡查人員的工作量會很大，無法做到實時監控，并且會存在一定疏漏的幾率，不僅增加了人工成本，同時也增加了財產損失的風險，在后期排查時也增加了難度。因此，對物體進行實時監管是十分必要的。

1.系統工作原理

本裝置為整個測距系統的標簽部分。測距系統由UWB基站、UWB標簽以及監控計算機組成。當UWB標簽處于在UWB基站的檢測范圍內，稱為在位識別，UWB標簽每次位移都與UWB基站進行測距工作，以確定UWB標簽的距離范圍，UWB獲取距離信息后，通過網絡發送給監控計算機。當UWB標簽離開UWB基站監控范圍后，UWB標簽定時獲取GPS坐標并通過GPRS網絡發送給監控計算機，以確定目前標簽的具體位置。

2.硬件設計

本裝置硬件設計由主控制器、UWB測距單元、北斗定位單元以及電源控制單元組成。

2.1 主控制器

本標簽主控制器采用ST公司的STM32L系列中的STM32L151RET6單片機。本控制器擁有512kBytes的Flash空間，運行RAM高達80Kbytes，主頻最高32MHz，同時擁有多大6種功耗模式，可以在設定時間內以最低功耗完成任務。

2.2 UWB測距單元

UWB測距單元采用基于Decawave公司開發的DW1000芯片，本芯片兼容IEEE802.15.4-2011協議，擁有6個頻帶，中心頻率在3.5GHz～6.5GHz，用于物體定位精度高達10厘米，數據傳輸數率高達6.8Mb/s，通信距離可達300米，在高衰弱環境下也可以進行可靠的通信，功耗低，適合電池供電。單片機與DW1000芯片使用SPI接口進行通信。

考慮到功耗，在測距單元里增加了運動傳感器，在靜止時標簽處于休眠狀態，只有在運動時才進行測距，以便節省功耗。運動傳感器采用低功耗三軸加速度計ADXL362進行運動感知。當ADXL362檢測到振動閾值超過設定值后，通過外部中斷，將單片機從低功耗模式喚醒。ADXL362采用標準的SPI通訊接口，最高速率可達5MHz，同時當測量速率為6HZ左右時功耗低可至270nA，大大提升了裝置中電池的續航能力。UWB測距單元電路原理見圖1。

2.3 北斗定位單元

北斗定位單元采用上海移遠MC20集成模塊。MC20是一款集成LCC封裝，四頻段GSM/GPRS和先進算法GNSS引擎于一體的全功能通信模塊，具有超小體積、低功耗、雙卡單待等優勢，同時還集成了北斗定位系統，因此能提供無線移動通信以及精準的導航定位功能。

單片機與MC20模塊使用串口進行通信，并通過AT指令集對MC20模塊進行控制，同時在硬件方面使用MOSFET管對MC20模塊進行電源控制，當本標簽在離開UWB基站監測范圍后才打開電源開關，啟動MC20模塊，通過這樣的設計可以很好的控制功耗，延長電池使用周期。

3.軟件設計

軟件設計難點主要在于UWB標簽與基站的測距部分，在進行測距時，標簽與基站雙方均需要獲得測量值，如何在最短的時間，以最少的通信次數來確定二者之間的距離是本部分的重點。本部分的軟件測距采用TWR（Two Way Ranging）算法，本算法基于TOF（time-of-flight）測距原理，實現雙邊TOF測距。如下圖2：

首先由節點A1發出start幀，基站A2接收到start幀后立即回應response幀，節點接收到response幀后，立即回應基站A2一條final幀，通過上述三次通信后，可獲取一下公式：

（d1+d2）/2=S1

S1=T1×c

其中c為光速，T1為節點A1從發送start幀到接收到response幀所用時間，S1即為節點A1獲取到的節點A1與基站A2之間的距離。

同樣基站A2一側公式為：

（d2+d3）/2=S2

S2=T2×c

其中c為光速，T2為基站A2從發送response幀到接收到final幀所用時間，S2即為基站A2獲取到的節點A1與基站A2之間的距離。

因此，通過TWR雙邊測距算法可以使標簽與基站都使用最少的通信次數來進行測距，具有效率高，精度高，降低整體功耗等優點。

4.結語

此裝置得設計可以很好的解決一般場合的物體位置監控問題。本系統可以節省人力物力，方便維護，在線時間長，可做到24小時全天候監測。同時根據TWR測距算法可以快速準確的計算物體與基站之間的距離，具有效率高，節省功耗等優點。

作者簡介：殷慶年，畢業院校為遼寧工程技術大學，電氣工程及其自動化專業，現就職于奧維飛越通信有限公司，研究方向為物聯網系統；袁赫，畢業院校為渤海大學，自動化專業，現就職于奧維通信股份有限公司，研究方向為自動控制。

參考文獻：

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[4]吳常玉、曹孟娟、王麗紅，ARM Cortex-M3與Cortex-M4權威指南（第三版），2015