基于UWB的物體定位模塊的研究與設計

萬 瑜，邱迎龍，何小鵬

（湖北民族大學 新材料與機電工程學院，湖北 恩施 445000）

0 引 言

近年來，隨著互聯網技術的飛速發展，室內環境下基于位置的服務越來越受到人們的重視。在緊急情況下，室內定位系統可以幫助救援人員準確定位每一個人的位置[1]，包括建筑物乃至房間號，或者地下停車場定位[2]、養老院人員統計等。為了滿足人們對高精度室內定位的多樣化需求，一種基于UWB的室內定位系統[3]應運而生。該系統可以有效提高室內環境下物體的定位精度，具有廣闊的應用市場。

1 系統總體設計

系統以STM32F103為控制核心，定位芯片采用DW1000，結合TDOA算法[4]計算移動標簽的位置坐標。標簽節點、主基站和次基站[5]的硬件設計一致，系統的工作頻率可以人為設置。室內每個基站需要被擺放在固定坐標點，方便進行坐標計算。標簽節點用來接收基站的測距命令，由基站發射UWB信號，標簽接收到UWB信號后做出響應，基站與標簽間采用雙向飛行測距算法得到距離。次基站計算出距離之后將得到的距離發送給主基站，主基站將數據匯總后利用質心定位算法[6]計算標簽的位置坐標，之后，主基站將得到的位置信息發送到GUI界面進行顯示。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2 系統的硬件設計

本系統的硬件[7]主要分為處理器模塊、無線通信模塊、電源管理模塊以及其他電路，各模塊之間協同工作。

2.1 處理器模塊

系統處理器采用意法半導體公司出品的STM32F103，處理器通過I2C協議與存儲器模塊連接，用以存儲基站、標簽模式、地址和列表等信息，必要時可供處理器調用。STM32F103C8T6外圍電路包括電源模塊、時鐘電路、串口電路三部分，電源通過TPS736將5 V電壓轉換成3.3 V為處理器供電，時鐘電路包含2個時鐘源，8 MHz的晶振通過處理器內部鎖相環倍頻到72 MHz，串口電路完成處理器與PC機間的數據交換。

2.2 無線通信模塊

無線通信模塊采用DecaWave公司開發的DW1000芯片[8]，這是一款兼容IEEE 802.15.4-2011協議的超寬帶無線收發芯片，其定位精度在10 cm以內，具有功耗低、成本低、抗干擾能力強、支持多點定位等特點，在測距算法上支持TOF算法和TDOA算法。

2.3 電源管理模塊

電源是系統穩定運行的重要保障，設計優良的電源電路能大大延長電路中元器件的使用壽命，降低系統功耗。本系統需要使用+5 V和+3.3 V的電壓給板載元件供電，其中DW1000芯片需要使用獨立電源進行單獨供電，其發射瞬間電流達到500 mA，如果直接采用USB轉TTL或者電腦USB接口給模塊供電，會使數據產生較大波動，其波動級別大約在米級，嚴重影響定位精度。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

3 系統的軟件設計

圖3所示為系統的總體程序。要想成功定位標簽的位置，首先需要使用測距算法計算出標簽到3個基站之間的距離，但是初步得到的數據可能出現偶然誤差并不能直接使用，因此需要對原始數據進行卡爾曼濾波[9]，濾波之后的數據利用定位算法[10]計算出標簽的位置坐標。

圖3 系統總體程序

圖4所示為低通濾波算法流程。標簽和基站之間的距離由于環境和模塊本身的影響，可能會存在較大誤差，因此需要對測得的距離進行低通濾波處理。

圖4 低通濾波算法流程

4 結 語

UWB定位系統憑借著高精度、高動態、高容量、低功耗等優點，未來將成為室內定位的主流技術，具有廣闊的市場及應用前景。本文通過對UWB定位系統進行研究，希望為廣大同仁提供一種可行的室內定位方案。