基于UWB 的可穿戴式人員定位設備設計與研究

王喆 周暢 刁攀

（1、黑龍江省儀器儀表專業標準化技術委員會，黑龍江 哈爾濱150070 2、飛亞達精密科技股份有限公司，廣東 深圳518057）3、哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱150001）

隨著時代的發展，社會對于智能化生活生產的需求越來越高。人員定位目前有許多的方法，但是均具有較大局限。例如：WIFI 定位與藍牙定位均采用RSSI 進行人員的距離估計。針對當前主流的人員定位系統的算法和產品缺陷，設計了一套基于UWB 技術的可穿戴式人員定位設備。該設備充分利用了UWB 信號的特點，結合到達時間測距、三邊定位與小波去噪的算法，減小使用中的震動、多徑對定位精度的影響，以實現室內環境下的人員精確定位。

1 系統設計原理

1.1 UWB 測距原理

對穿戴UWB 手表或頭盔的人員進行精度較高的定位，首先要實現測距。測距方案有很多，包括大概四大種類：基于信號到達時間（Time Of Arrival, TOA）、基于信號到達時間差（Time Difference Of Arrival, TDOA）、基于信號衰減強度（Received Signal Strength, RSSI）、基于信號到達角度（Angle Of Arrival,AOA）。本文采用如下的雙向雙側測距進行測距數據的采集。

圖1 雙側雙向測距方案

雙側雙向測距是由單側雙向測距演變而來的，該方法可以進一步的減少測距誤差。它主要作用是消除同步時鐘帶來的限制。其示意圖如圖1。

其過程如下：設備A 發送一條信息，經過Tprop時間后，設備B 將接收到這條消息。再經過Treply1時間后，設備B 將發送一條回復信息，經過Tprop時間后，設備A 將接收到此條信息。之后一定時間后，設備A 會再次發送一則信息，同樣經過Tprop后，設備B 會接收到這條信息。上圖中，水平方向為時間方向，深顏色為DW1000 的接收與發送消息的時間戳。假設設備A 和設備B 之間沒有相對運動，可以得到設備A 與設備B 之間得信息時間為Tprop，而此時為了減少誤差，針對Tprop算法才是關鍵的。式子如下所示：

雙向雙側測距不需要兩個設備之間進行時鐘同步，它的噪聲來源是射頻芯片的時間戳精度、多徑影響、非數據影響，適合應用于工業環境中。

1.2 UWB 三邊定位原理

三邊定位，即是利用三條邊長度（實際中對應為節點與標定點的距離）進行定位，也是本系統采取的定位方式。

x1,2,3,y1,2,3分別代表基站的坐標位置，x,y 分別代表標簽的位置坐標,d0.1,0.2,0.3代表標簽與各個基站的距離，這個距離值由UWB的硬件設備測得，并會由基站匯總，測距方式采用上一節提到的TOA。可聯立式子：

在基站上求解以上的式子，可以解出標簽的具體坐標與位置。當然，這只是最理想的情況，在實際應用中，由于測距的波動，坐標的位置是一個模糊的區域而非定解，本文再次利用小波對結果進行降噪，以獲取更加穩定、精度更高的數據。

1.3 小波數據濾波原理

設有如下觀測信號

小波變換在降噪方面有如下特點：（1）小波變換是一種時頻局部化分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，而在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，適合室內測距與定位信號中包含的震動噪聲、多徑噪聲并展示其成份。（2）零均值白噪聲序列在小波變換下仍為零均值序列，并且在小波基下的系數序列仍為同方差白噪聲序列。（3）在含噪測距數據小波變換域中，測距信號的能量絕大部分集中在絕對值較大的小波系數中，噪聲成份能量則主要集中在絕對值較小的小波系數中。通過設定一個閾值，將低于某個閾值的小波系數置為零，而保存高于閾值的小波系數，經過處理之后的小波系數就可以理解為基本上是由信號引起的，從而去除測距信號中的震動與多徑干擾。

2 系統功能與實現

2.1 系統功能組成

該系統主要由標簽、基站、還有上位機組成，其中標簽進行可穿戴設計，將佩戴在需要定位的人員身上。基站固定在建筑物上，作為定位結算的基準站，上位機可以查看基站的數據，以實時掌握人員的定位數據。可穿戴式標簽的主控芯片是整個定位系統實現算力的硬件設備，本設備采用STM32 平臺進行芯片控制，STM32 是ST 公司推出的微控制器，采用Cortex-M3 內核、ARM-V7 架構。在UWB 射頻芯片上，采用DW1000 芯片，DW1000 芯片是遵守IEEE802.15.4-2011 電氣規則的低功耗低成本UWB 通信芯片。它廣泛應用于測距與定位領域，其極限的精度可以達到10cm。其原理圖如圖2 所示：

圖2 硬件電路方案

為了實現可穿戴，需要縮小設備體積，本文將DW1000 與STM32 集成到一塊小型的電路板上，該電路板長6cm，寬3 厘米，可以直接集成到安全頭盔的頂部方便進行穿戴。同時還進行了手表式的硬件電路板設計，將上述電路板中的器件分布在板的兩側，最終使得電路板的體積進一步縮小，可以嵌入手表的表盤中，直接佩戴在人員手上。基站則采用正常體積設計，并且使用吸頂天線以擴大信號的覆蓋范圍。（圖3）

圖3 硬件電路與外形方案圖

2.2 系統代碼實現

本文所述系統的軟件部分細分為三個部分，分別是：基站代碼、標簽代碼、上位機代碼。基站代碼將在四個基站的硬件上運行，執行基站設定的程序，及時接收標簽的poll 信息幀、回復response 信息幀，并及時處理final 信息幀，基站最終會得出標簽的定位結果；標簽代碼將在標簽硬件上運行，標簽首先的任務是發送poll 信息幀，然后就是等待response 的到來，并開始發送final 信息，標簽會配合基站通過UWB 信號進行交互信息；上位機代碼將會運行形成一個上位機，該上位機用于顯示接收基站的定位結果，并進行一系列的可視化實現。基站代碼的運行流程如圖4 所示。

2.3 系統上位機處理

圖4 基站與標簽程序運行流程圖

使用QT Creater 進行QT 上位機的開發，上位機運行采用信號與槽的機制，兼容Windows、Linux/X11、Mac OS X 等操作系統。QT Creater 的開發界面簡單，主要包括代碼編輯器、編譯器、以及一個可視化調試工具和外形設計師QT Designer。本文在QT 5.6.3 版本上進行上位機制作，力求軟件穩定可靠。上位機程序使用QWidget 生成文件框界面，把數據當成功能，在QWidget上進行顯示輸出出來。為了實現任務框的多個切換，還使用了標簽專屬控件。

3 功能測試與分析

本文進行了一組模擬室內UWB 標簽電路板定位的實驗，在此次實驗中，使用一個UWB 標簽與四個UWB 基站來進行測距與定位實驗。四個基站固定在四個位置，標簽固定在多個點，并在各自的位置上進行一定程度的晃動，可以得到一組晃動不光滑的曲線，以此模擬標簽佩戴在人員身上的搖晃震動。其測試圖如圖5 所示。

圖5 實際測試圖

由于標簽情況類似，本文將標簽0 號的結果進行展示處理。采集到的標簽0 的x 軸和y 軸坐標如圖6、7 所示，圖中淺色是采集到的原始數據，深色是降噪去除震動后的坐標數據。

圖6 定位結果降噪圖（y 軸）

圖7 定位結果降噪圖（x 軸）

可以看到這時候的標簽的位置已經較為穩定的在3220 附近波動，與真實x 坐標3200 接近，相比淺色結果，有了更高的穩定性和精度。同理，y 軸也具有同樣的效果。

4 結論

本文研究了一種便攜可穿戴式UWB 設備，將該設備應用到人員跟蹤、定位、監視的實際場景中，不僅可以降低人員定位的成本，還能有效提升人員的定位精度與實時性。設備采用TOF分析方法實現對于人員與基站之間的厘米級測距，并利用三邊定位算法解算出人員相對于基站的高精度坐標位置，同時本文提出的一種基于小波變換的降噪方法可在濾除誤差干擾的同時保留了幾乎全部的基本測距信息以及大部分的細節信息，在一定程度上明顯地改善了UWB 測距和定位數據質量。該套可穿戴UWB 設備具有受環境影響小、定位測距精度高、天線關聯少等優點，且無需時間同步。通過實驗，驗證了基于可穿戴UWB技術的人員定位系統可實現基站覆蓋范圍內人員厘米級精確定位，可以促進工業廠房、礦井、養老院等地的數字化建設水平，提高使用單位的管理效率。