采用超寬帶和遠距離無線通信的定位系統設計

李正東 金釗 包信宗 王挺 李秀玲

摘? 要 針對GPS、北斗等無線定位系統不能實現室內定位的問題，采用超寬帶和遠距離無線通信技術設計一種室內定位系統。系統采用雙邊雙程測距法、到達時間內三角質心優化算法提高測距和定位精度，采用LoRa技術進行基站間的數據傳輸。測試分析表明：定位系統在室內環境下工作穩定性好，可實現室內精確定位功能。

關鍵詞 超寬帶；無線通信技術；定位系統

中圖分類號：P228.4? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0035-03

Abstract Aiming at the problem that GPS， Beidou and other wireless?positioning systems cant achieve indoor positioning， an indoor po-sitioning system is designed by using ultra-wide band and long-distance wireless communication technology. The system uses the?triangle centroid optimization algorithm in time of arrival to improve?the ranging and positioning accuracy. LoRa technology is used for data transmission between base stations. The test and analysis shows?that the positioning system has good stability in indoor environment， and can realize indoor precise positioning function.

Key words ultra-wide band; wireless communication technology; location system

0? 引言

當前，GPS、GLONASS、北斗導航定位系統在室外環境中已經獲得廣泛運用，但由于建筑物對信號的遮擋，上述定位系統在室內環境不能實現定位功能。為了實現目標的室內定位功能，研究人員嘗試用Wi-Fi、ZigBee、藍牙[1]、超聲波[2]、紅外線等多種無線通信技術進行測試。測試結果表明：以上技術均不能實現cm級的精確室內定位需求。超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）技術不同于傳統的通信技術，它沒有載波信號，主要通過納秒級脈沖來完成數據的傳輸，時間分辨率較高，可極大提高定位精度。本研究主要利用超寬帶技術進行室內定位系統的設計與研究。

1? 系統架構

系統整體架構設計為四層結構：感知層、采集層、數據層、應用層。其中，感知層主要負責標簽與基站之間UWB無線電的測距功能；采集層主要采用LoRa無線通信技術負責基站與數據集中器之間的信息交互；數據層利用TCP/IP網絡實現與數據集中器的信息交互，并將數據存儲于服務器中；應用層主要負責應用界面設計、定位算法實現、手機推送等功能。系統結構示意圖如圖1所示。

從硬件設計上，系統主要由標簽、基站、集中器、定位服務器組成。標簽置于待測目標上，基站安裝在室內固定位置，標簽和基站之間利用超寬帶無線通信技術進行測距和定位；基站與集中器之間采用LoRa無線通信技術實現定位數據的無線傳輸；集中器與定位服務器之間采用TCP/IP網絡通信協議進行數據交互。通常，在設定四個定位基站的情況下，覆蓋范圍可達1萬平方米。

首先，標簽先發送一個UWB無線信號，各定位基站截獲此信號后獲得信號接收時間，并計算得到各基站與標簽之間的距離；其次，通過LoRa無線通信技術將距離信息傳送至數據集中器，再由數據集中器通過以太網傳輸到定位服務器；最后，由定位服務器調用定位算法對標簽進行精確定位。

2? 測距算法

測距是超寬帶定位的前提，主要通過測量兩個器件之間信號的飛行時間（Time of Flight，TOF）計算距離。光速乘以數據飛行時間即可得到傳輸距離。但是在實際應用中，標簽和基站之間的時鐘不可能完全同步，而時鐘的不同步會引起極大的測距誤差。為規避時鐘同步問題，系統采用雙邊雙程測距（Double Sided–Two Way Ranging，DS-TWR）算法。DS-TWR測距算法采用兩次通信模式，能夠降低由時鐘偏移導致的誤差，從而在算法層面提高測距精度。DS-TWR測距數據流程如圖2所示。

DS-TWR測距時間為：

使用DS-TWR測距方式時鐘引入的誤差：

其中，ka和kb分別為器件A、B時鐘的實際頻率和預期頻率的比值。在DS-TWR測距算法中，響應時間是不需要相等的，便于MCU系統實現。因此，DS-TWR測距是兼具高精度且易實現的一種測距方式。

3? 定位算法

到達時間法（Time of Arrive，TOA）的原理是通過測量不同基站接收同一個移動站定位信號的時間，從而計算出同一個移動站到不同基站的直線距離，然后通過畫圓定位方法求得移動點的位置。

通過測算，基站Si（xi，yi）（i=1，2，…，N）到待測移動目標（x，y）的距離分別為di，建立以下方程組：

在平面中，TOA定位算法最少需要三個基站實現移動目標的定位。其原理是以基站為圓心，以測得的距離為半徑畫圓，理論情況下可畫得三個圓，三個圓相交于一點即為移動目標的位置。為提高定位速度和精度，可用相關算法如最小二乘法、內三角質心算法來確定目標的實際位置。采用內三角質心算法[3]，TOA定位示意圖如圖3所示。

4? 系統硬件設計

從硬件設計上，系統主要由標簽、基站、集中器、定位服務器組成。系統的主控制芯片采用ST Microelectronic公司的STM32F105RC[4]微控制器芯片，工作頻率為72 MHz，其內置一個高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，256 K字節閃存、64 K字節SRAM。STM32F105RC包含標準的通信接口，即I2C接口、SPI接口、I2S接口、USART接口、CAN接口、ADC接口等。UWB無線通信模塊主要采用半導體公司DecaWave公司的DM1000[5]射頻芯片。DW1000采用的是90 nm的CMOS工藝，數據傳輸支持110 kbps、850 kbps和6.8 Mbps的數據速率，可以工作在3.5～6.5 GHz的6個頻段。LoRa無線通信模塊采用Semtech公司的SX1276[6]射頻芯片，LoRa是一種將擴頻通信應用在低于1 GHz頻率的無線通信技術。LoRa技術通過擴頻通信技術提高接收靈敏度，通過高接收靈敏度實現遠距離傳輸。由于傳輸距離增加，可以大幅減少中繼器的使用，簡化系統設計，從而大幅降低成本。

5? 系統軟件設計

系統采用的嵌入式開發軟件為Keil uVision 5，編程語言使用的是C語言，嵌入式軟件代碼主要實現系統初始寄存器設置及測量標簽到基站TOF，TOF與電磁波在真空中速度的乘積即為標簽與基站之間的距離，由基站將距離信息通過LoRa無線通信模塊傳送到集中器，再由集中器傳輸給定位服務器，最后采用TOA內三角質心定位算法完成標簽定位功能。上位機軟件運行流程如圖4所示。

6? 實驗與分析

選擇一間12 m×15 m的矩形房間作為測試場地，房間內預先固定4個定位基站、3個標簽。測試標簽所得誤差值結果如圖5所示，此時測試誤差最小值為13 cm，最大值為23 cm，平均誤差18 cm。相對于Wi-Fi、藍牙等無線通信方式的米級誤差，室內通信系統相對誤差減少為厘米級。由于干擾對室內的定位精度有較大影響，在設計時應盡量減少干擾的存在，房間里不放置遮擋物以減少NLOS（Non-Light of Sight）對測量精度的影響。

7? 結束語

采用超寬帶技術和遠距離無線通信技術構建一套室內無線定位系統，采用DW1000 UWB通信芯片完成室內的精確定位功能，采用SX1276 LoRa通信芯片完成定位數據傳輸，解決定位基站布線復雜、成本較高的問題。系統采用DS-TWR測距算法及TOA內三角質心無線定位算法，并針對系統進行代碼優化，最終完成室內定位功能。

參考文獻

[1]Oksar I.A Bluetooth signal strength based in door localization method[J].International Conference on Systems，2014：251-254.

[2]Lindo A， Garcia E， Urena J， et al. Multiband Waveform Design for an Ultrasonic Indoor Positioning System[J].IEEE Sensors Journal，2015（12）：1.

[3]魏培，姜平，賀晶晶，等.基于內三角形質心算法的超寬帶室內定位[J].計算機應用，2017（1）：289-293，298.

[4]SEMTECH．STM32F105xx datasheet[R/OL].（2020-10-24）[2020-12-01].www.semtech.com.

[5]DecaWave. DW1000 datasheet v2.11[R].Dublin，Ire-land： DecaWave，2016．

[6]SEMTECH. SX1276/77/78-137MHz to 1020 MHz Low Power?Long Range Transceiver[R/OL].（2020-10-01）[2020-12-01].www.sem-tech.com.