基于WSN+UWB的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)-低碳清潔能源與智能制造科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)；項(xiàng)目編號(hào)：2021KYTD06。2022年陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)自然科技重點(diǎn)（實(shí)用研究）；項(xiàng)目編號(hào)：2022KY07KJZSY。

作者簡(jiǎn)介：魏璁琪（1993— ），男，助教，碩士研究生；研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。

摘要：隨著社會(huì)發(fā)展，家長(zhǎng)對(duì)幼兒安全越來(lái)越重視，幼兒園環(huán)境安全與否直接關(guān)系到兒童的健康及生命。為保障園區(qū)內(nèi)幼兒狀況及安全，文章提出了一種室內(nèi)人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)在滿足基本定位需求的同時(shí)，采用了超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)，具有穿透性強(qiáng)、抗干擾和功耗低等優(yōu)勢(shì)，其性能表現(xiàn)已超過(guò)藍(lán)牙和Wi.Fi，并以UWB技術(shù)作為主要技術(shù)依據(jù)，將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）技術(shù)與UWB技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款智能化的人員看護(hù)及定位系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果證明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可滿足園區(qū)內(nèi)人員監(jiān)測(cè)及定位警報(bào)的需求。

關(guān)鍵詞：超寬帶（UWB）技術(shù)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）；人員看護(hù)；定位系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274+.2;TN921" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

根據(jù)教育部發(fā)布的2023年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)適齡入園兒童人數(shù)已超4 627.11萬(wàn)，幼兒園及家長(zhǎng)越來(lái)越關(guān)注園內(nèi)安全及幼兒健康狀態(tài)。全國(guó)共有學(xué)前教育機(jī)構(gòu)28.67萬(wàn)所，按照城區(qū)、鎮(zhèn)區(qū)和鄉(xiāng)村3個(gè)地域分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，其中鄉(xiāng)村幼兒園數(shù)量最多，有94 051所，占全國(guó)幼兒園的比重為35%。但各地區(qū)幼兒園的園區(qū)條件和安全隱患差異很大，在鄉(xiāng)村幼兒園內(nèi)，具有音視頻監(jiān)控條件的園區(qū)且設(shè)備完全使用的占比例不足40%［1］。僅2021年全國(guó)幼兒園事故有 148起，100余人受傷或死亡，因此對(duì)幼兒園內(nèi)兒童看護(hù)及人員定位進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)十分重要。

傳統(tǒng)視頻安全監(jiān)控有線方案系統(tǒng)布線多、功耗大、施工工序復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難且檢測(cè)效果較差，并且部分無(wú)線方案，如藍(lán)牙以及ZigBee技術(shù)，其性能參數(shù)的穿透性較差或精度較低，作為室內(nèi)定位技術(shù)具有一定的局限性，通過(guò)采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）技術(shù)和超寬帶（Ultra Wide Band， UWB）技術(shù)相結(jié)合的方式，能夠有效地解決這一問(wèn)題［2］。建立一套完整的室內(nèi)人員看護(hù)及定位系統(tǒng)，對(duì)幼兒園園區(qū)人員狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定位預(yù)警十分必要。

結(jié)合上述原因，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、超帶寬技術(shù)及傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套具有人員精準(zhǔn)定位、異常報(bào)警、安全看護(hù)及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ艿氖覂?nèi)人員定位系統(tǒng)。

1" 關(guān)鍵技術(shù)

1.1" UWB技術(shù)

UWB技術(shù)是一種使用1 GHz以上頻率帶寬的無(wú)線載波通信技術(shù)。它利用的不是正弦載波，而是ns級(jí)的非正弦波窄脈沖波，UWB技術(shù)采用占空比很低的沖擊脈沖作為信息載體，是一種無(wú)載波擴(kuò)譜技術(shù)［3］。它直接利用窄脈沖信號(hào)來(lái)傳輸信息，其工作頻段區(qū)間范圍為3.1～10.6 GHz，該技術(shù)能夠產(chǎn)生極短脈沖的信號(hào)發(fā)生源，通過(guò)高射頻頻率以達(dá)到系統(tǒng)高帶寬的效果，具有高數(shù)據(jù)傳輸率、高分辨率、頻段利用率高、傳輸靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。

目前，常見(jiàn)的室內(nèi)定位技術(shù)包括超聲波、藍(lán)牙、Wi.Fi、ZigBee以及UWB等技術(shù)［4］。不同的室內(nèi)定位技術(shù)有其特定的應(yīng)用場(chǎng)景，主要取決于它們的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)目前成熟的室內(nèi)定位技術(shù)的主要參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。

根據(jù)表1可看出，UWB定位技術(shù)具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、截獲率高和部署成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此UWB定位技術(shù)在各種室內(nèi)定位技術(shù)中脫穎而出。由于UWB技術(shù)自身參數(shù)特性，具有較強(qiáng)的穿透性，即可減少環(huán)境因素對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的影響，從而能夠保障園區(qū)內(nèi)人員定位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。低功耗的特點(diǎn)也延長(zhǎng)了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)及待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，極大地減少了設(shè)備維護(hù)難度。UWB技術(shù)由于其高精度、強(qiáng)抗擾以及部署成本低，使得其在室內(nèi)定位的準(zhǔn)確度方面有較好的表現(xiàn)，并且已得到了廣泛的研究和應(yīng)用，成為室內(nèi)定位領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及方向［5］。

1.2" WSN技術(shù)

WSN是一種分布式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，該傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置及設(shè)備位置設(shè)置方式靈活可變，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)可與互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)有線或無(wú)線方式連接。在無(wú)線通信模式及相關(guān)協(xié)議下能夠形成一個(gè)多跳及自組織網(wǎng)絡(luò)，其主要特征為靈活、自組織、嚴(yán)格資源限制，并且需要實(shí)時(shí)處理同長(zhǎng)時(shí)間的單任務(wù)串行處理并存，同時(shí)大部分時(shí)間保持低功耗狀態(tài)，主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸3大功能［6］。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)包含數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和管理應(yīng)用層的3層WSN結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)利用Z-Stack協(xié)議棧內(nèi)相關(guān)函數(shù)完成無(wú)線通信，其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如下：傳感器節(jié)點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)按照無(wú)線通信協(xié)議要求進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，隨后由匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)上行發(fā)送至管理節(jié)點(diǎn)，最終在管理節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及呈現(xiàn)等。

其中，傳感器節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集模塊、信息處理模塊、無(wú)線通信模塊及輔助電源，并主要負(fù)責(zé)人員數(shù)據(jù)采集、處理以及轉(zhuǎn)移等工作。基于ZigBee構(gòu)建的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

ZigBee通信技術(shù)是一個(gè)由最高可支持65 535個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，系統(tǒng)支持無(wú)線自組網(wǎng)［7］，在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)彼此自動(dòng)尋找，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間能互聯(lián)互通，即使有某個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，正常通信的節(jié)點(diǎn)會(huì)尋找最近的正常網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞承浴?/p>

2" 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

對(duì)幼兒園室內(nèi)外的環(huán)境進(jìn)行勘察后，以物聯(lián)網(wǎng)的3層體系結(jié)構(gòu)及傳感器的可擴(kuò)展原則為基準(zhǔn)，并采用WSN+UWB技術(shù)完成系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)?；赪SN+UWB的人員定位設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

（1）利用WSN技術(shù)，系統(tǒng)構(gòu)建了完整的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［8］，用于監(jiān)測(cè)園區(qū)內(nèi)兒童日常活動(dòng)狀態(tài)、范圍以及人員大致位置，例如是否在教室、在休息室等。通過(guò)在休息室的床位布置壓力傳感器并在室內(nèi)各場(chǎng)景布置紅外熱溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終可根據(jù)數(shù)據(jù)信息判斷兒童當(dāng)前所處的房間或戶外某區(qū)域。

（2）利用UWB技術(shù)，設(shè)計(jì)“1標(biāo)簽+3基站”的園區(qū)兒童活動(dòng)軌跡定位系統(tǒng)。3個(gè)基站必須設(shè)置在房間不同角落（即基站坐標(biāo)不能重復(fù)），TAG以兒童手環(huán)或胸牌并隨身攜帶接收基站信號(hào)，通過(guò)壓力傳感器和紅外溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)兒童的活動(dòng)范圍，能夠幫助園區(qū)管理人員更深入地了解兒童活動(dòng)情況，同時(shí)也為后續(xù)分析園區(qū)兒童行為方式提供數(shù)據(jù)支持。傳感器及基站布設(shè)方案如圖3所示。

2.1" 人員定位硬件方案

本設(shè)計(jì)以CH32V203單片機(jī)為主控芯片，控制UWB測(cè)距模塊發(fā)出UWB信號(hào)與標(biāo)簽進(jìn)行信息交互，利用TOA算法測(cè)量出標(biāo)簽與基站之間的間距，將測(cè)距結(jié)果及各傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)發(fā)送至終端上位機(jī)。

2.2" 人員看護(hù)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)按照?qǐng)D3所示設(shè)置5組傳感器，分別為壓力檢測(cè)器（檢測(cè)床上壓力）、紅外溫度傳感器（教室）、紅外溫度傳感器（活動(dòng)室）、紅外溫度傳感器（衛(wèi)生間），選用數(shù)字傳感器用1表示對(duì)應(yīng)傳感器有信號(hào)，用0表示對(duì)應(yīng)傳感器無(wú)信號(hào)。通過(guò)對(duì)應(yīng)檢測(cè)電平即可大致判斷出兒童所在區(qū)域范圍，系統(tǒng)信號(hào)判定條件及對(duì)應(yīng)結(jié)果如表2所示。

2.3" 人員定位算法方案

本設(shè)計(jì)選用TOA算法進(jìn)行人員定位，TOA定位算法測(cè)量如圖4所示。TOA算法是通過(guò)測(cè)量信號(hào)從發(fā)射源到接收器之間的傳播時(shí)間來(lái)確定位置，即“到達(dá)時(shí)間”算法。具體操作步驟如下：

（1）發(fā)送端在每次發(fā)送信號(hào)時(shí)，記錄下發(fā)送信號(hào)的時(shí)間戳，即發(fā)送時(shí)間。

（2）接收端接收到信號(hào)后，記錄下接收信號(hào)的時(shí)間戳，即接收時(shí)間。

（3）通過(guò)計(jì)算接收時(shí)間減去發(fā)送時(shí)間得到信號(hào)傳播的時(shí)間。

（4）根據(jù)光速和傳播時(shí)間的關(guān)系，可得到距離。

（5）通過(guò)多組距離測(cè)量，可使用三角定位法或者加權(quán)最小二乘法計(jì)算出目標(biāo)位置。

根據(jù)已知光速為c，采用“1標(biāo)簽+3基站”的TOA算法對(duì)TAG位置進(jìn)行計(jì)算，TOA算法計(jì)算公式如下：

（x-x1）2+（y-y1）2=ct1=r1

（x-x2）2+（y-y2）2=ct2=r2

（x-x3）2+（y-y3）2=ct3=r3（1）

根據(jù)上述式（1），通過(guò)三角定位法進(jìn)行計(jì)算，其方法如下：TOA算法使用前，需確定好各基站的位置（設(shè)置各基站初始坐標(biāo)為A（x1，y1）、B（x2，y2）、C（x3，y3））。標(biāo)簽到基站的距離r1、r2、r3為未知量，通過(guò)時(shí)間同步方式測(cè)得基站信號(hào)發(fā)出到標(biāo)簽響應(yīng)時(shí)間記為t1、t2、t3。其中，UWB信號(hào)的傳播速率為光速c，將響應(yīng)時(shí)間t1、t2、t3分別乘以光速c就可得到各基站到標(biāo)簽的距離 r1、r2、r3。

在上述公式中，只有TAG坐標(biāo)（x，y）未知，通過(guò)求解該方程組，最終由3個(gè)基站以ct1、ct2、ct3的長(zhǎng)度為半徑取3圓的交點(diǎn)，即為T(mén)AG所在位置，從而得到標(biāo)簽坐標(biāo)（x，y）。通過(guò)上述算法應(yīng)用，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只要3個(gè)（或3個(gè)以上）基站可組成一組定位基站，并使用TOA定位算法后能夠準(zhǔn)確地對(duì)TAG坐標(biāo)定位。

2.4" 人員看護(hù)及定位系統(tǒng)驗(yàn)證

在管理節(jié)點(diǎn)處設(shè)置上位機(jī)軟件，最終將傳感器數(shù)據(jù)及UWB定位信息發(fā)送至上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)串口信息對(duì)采集信息及定位數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及管理，人員看護(hù)及定位顯示界面如圖5所示。

根據(jù)上述UWB定位設(shè)計(jì)的測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可直觀地顯示傳感器采集信息及定位，并且定位精準(zhǔn)至cm級(jí)，同時(shí)能夠通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值設(shè)置，使得人員看護(hù)檢測(cè)及定位更加精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)，能滿足基本的園區(qū)兒童看護(hù)要求的同時(shí)可以精準(zhǔn)定位兒童所在位置。

3" 結(jié)語(yǔ)

該室內(nèi)人員定位及生命狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)人員位置的精準(zhǔn)定位，使用TOA算法使得定位精度在一定程度上有所提高，看護(hù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)人員暫留時(shí)長(zhǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量，后續(xù)還可以加入其他表征生命狀態(tài)的監(jiān)測(cè)量，系統(tǒng)具有廣泛的適用場(chǎng)景。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，該系統(tǒng)不僅能夠在幼兒園區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和異常報(bào)警，還具有易于安裝、長(zhǎng)續(xù)航、高效提示和性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，因此具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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（編輯" 沈" 強(qiáng)）

Design of indoor personnel positioning system based on WSN and UWB

Wei" Congqi

（School of Intelligent Manufacturing and Information Engineering， Shaanxi Energy Institute，

Xianyang 712000， China）

Abstract：" With the development of society， parents are paying more and more attention to the safety of young children. The safety of kindergarten environment is directly related to the health and life of children. To ensure the condition and safety of young children in the park， this article proposes an indoor personnel positioning system design. The system not only meets basic positioning needs， but also adopts Ultra Wide Band （UWB） technology， which has advantages such as strong penetration， anti-interference， and low power consumption. Its performance has surpassed Bluetooth and Wi.Fi， and is mainly based on UWB technology， This article combines Wireless Sensor Network （WSN） technology with UWB technology to design an intelligent personnel monitoring and positioning system. The test results show that the system design can meet the needs of personnel monitoring and positioning alarms in the park.

Key words： Ultra Wide Band （UWB）technology; Wireless Sensor Network （WSN）; personnel monitoring; positioning system