0 引言

    伴隨著現(xiàn)代社會通信技術(shù)的快速發(fā)展,，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革新,，空間定位技術(shù)已經(jīng)進入了全新的領(lǐng)域。GPS,、伽利略,、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等已滿足人們對室外定位的社會需求。相比之下,，在一定室內(nèi)環(huán)境下基于位置的服務(wù)相對匱乏,，而此也越發(fā)的受到社會各界的關(guān)注,。比如在隧道、倉庫,、大型寫字樓,、醫(yī)療設(shè)備等環(huán)境下都需要精確的位置信息，以此來對物品或者人員等實現(xiàn)安全可靠,、系統(tǒng)全面的管理,。

    目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速,，室內(nèi)環(huán)境下的位置服務(wù)技術(shù)成為新的研究熱點,。超寬帶是一種短距離無線通信技術(shù)，具有高傳輸速率,、高的時間和空間分辨率,、低功耗、保密性好以及低成本等特點^[1],。本文基于超寬帶技術(shù)并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計了一款室內(nèi)移動目標(biāo)定位系統(tǒng),，可實現(xiàn)對移動目標(biāo)的準(zhǔn)確定位和軌跡跟蹤。

1 超寬帶技術(shù)及優(yōu)化TDOA定位算法

1.1 超寬帶技術(shù)

    超寬帶技術(shù)是脈沖極其窄小的無線通信技術(shù),，該技術(shù)在通信時發(fā)射的脈沖通常是脈沖寬度小于1 ns的高斯脈沖信號,。超寬帶技術(shù)無需載頻，它可以直接利用發(fā)射的窄脈沖來激勵天線,、輻射電磁波^[2-3],。

    超寬帶通信是一種包含低頻率的長波，在非視距的復(fù)雜環(huán)境下更能顯示其優(yōu)勢,，并且超寬帶信號可以在基帶中傳播,。其收發(fā)信機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    從圖1中可見超寬帶信號在傳輸過程中無需載波混頻器與振蕩器的參與,，信號的接收端也無需載波的恢復(fù),。這極大地簡化了收發(fā)信機結(jié)構(gòu)，提升了收發(fā)信效率,。

1.2 優(yōu)化TDOA定位算法

    在對移動目標(biāo)的定位過程中采用TDOA定位算法,，即通過標(biāo)簽發(fā)出信號的時間與基站接收到該信號的時間差來計算得到標(biāo)簽與相應(yīng)基站的距離，從而確定標(biāo)簽的位置^[4-5],。本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上對其進行了優(yōu)化,，提高了定位的精準(zhǔn)度。

    優(yōu)化的TDOA算法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點圖如圖2所示,，Anchor1,、Anchor2、Anchor3,、Anchor4分別為4個基站節(jié)點,，Tag1為移動標(biāo)簽節(jié)點即被定位的目標(biāo)物體,。R₁、R₂,、R₃,、R₄分別表示移動標(biāo)簽節(jié)點到4個基站節(jié)點之間的距離，r₂,、r₃,、r₄分別表示基站節(jié)點2、3,、4到基站節(jié)點1的距離,。

    系統(tǒng)運行時，基站1發(fā)送一個信號到整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),，其余基站接收到該信號并立即反饋給Tag1,，Tag1接收到各基站的信號后，存下相應(yīng)基站信號的到達時間,，并計算各基站與標(biāo)簽的時間差,。整個過程相當(dāng)于基站1的信號經(jīng)過不同路徑到達Tag1，解決了各基站時鐘同步問題,。其通用表達式為：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    系統(tǒng)硬件由通信基站和移動標(biāo)簽組成，通信基站和移動標(biāo)簽的硬件結(jié)構(gòu)基本相同,，以下將兩者統(tǒng)稱為定位模塊,。定位模塊以STM32F105R8T6作為主控芯片，搭載有DWM1000通信模塊,、脈沖信號發(fā)生器,、Micro USB通信接口、模式切換開關(guān)及電源模塊,。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。

    DWM1000工作時可以選擇接收和發(fā)送兩種模式狀態(tài)，可通過控制相關(guān)寄存器來控制工作狀態(tài)模式的切換,。微處理器通過SPI對DWM1000無線收發(fā)芯片進行讀寫,，完成通信設(shè)備之間的信息交換^[6]，其原理圖如圖4所示,。

    Micro USB是USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的一個小型便攜式版本,，Micro USB接口為五角接口，引腳數(shù)量極大地節(jié)省了控制器的引腳使用,，同時該接口還支持OTG功能,。其原理圖如圖5所示。

    為了使基站和移動標(biāo)簽功能能夠集成在同一模塊上,，方便使用,，特設(shè)計了人性化的標(biāo)簽/基站功能可以隨意切換的撥碼開關(guān),，同時可以根據(jù)二進制位數(shù)設(shè)置基站和標(biāo)簽的號碼以區(qū)分，集成于定位模塊上,。

    結(jié)合通信和供電接口的一體化設(shè)計,，定位模塊的電源電路也進一步考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性等因素，選用TPS7333低壓差穩(wěn)壓器作為電源電路的核心器件,。系統(tǒng)電源電路設(shè)計電路原理圖如6所示,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    在設(shè)計過程中，將系統(tǒng)軟件分為了下位機與上位機兩個部分分別進行了設(shè)計,。

3.1 下位機軟件設(shè)計

    下位機軟件開發(fā)環(huán)境采用CoIDE軟件,，該軟件是由CooCox公司開發(fā)的ARM Cortex-MCU嵌入式集成開發(fā)環(huán)境。下位機軟件工作流程如圖7所示,。

    下位機軟件的處理主要包括STM32處理器的復(fù)位,、系統(tǒng)時鐘配置、定時器配置模塊,、SPI和UART通信方式的讀寫,、中斷處理等，還有通過微處理器的SPI初始化無線收發(fā)模塊DWM1000,，在必要時需要配置芯片內(nèi)部寄存器,，使其工作在實驗需求的模式。當(dāng)DWM1000模塊收到其他基站或者標(biāo)簽發(fā)送的信息數(shù)據(jù)時,，則會通過SPI方式向處理器發(fā)送中斷請求,，接下來主程序中的中斷執(zhí)行程序即刻去判斷此刻中斷的類型以及接收信息數(shù)據(jù)的源地址，最終將處理后的測量數(shù)據(jù)信息封裝并發(fā)送給上位機進行實時監(jiān)控定位,。

3.2 上位機軟件設(shè)計

    上位機軟件開發(fā)采用Qt（跨平臺的C++圖形用戶界面）編寫,。上位機軟件的設(shè)計流程主要包括主線程、改進TDOA算法的計算線程,、數(shù)據(jù)包接收和發(fā)送線程,、數(shù)據(jù)包處理線程等主要環(huán)節(jié)。上位機軟件工作流程如圖8所示,。

    上位機軟件運行時通過串口接收下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)包并對其進行解析處理,，得到位置的原始數(shù)據(jù)；然后調(diào)用封裝的優(yōu)化TDOA定位算法函數(shù),，得到具體的位置信息,；最后通過圖形顯示界面實時顯示定位目標(biāo)。定位信息數(shù)據(jù)包格式如圖9所示,，其各參數(shù)定義如表1所示,。

    上位機圖形顯示界面如圖10所示，圖中0、1,、2,、3分別表示不同基站的參考點，左側(cè)基站信息列表中X,、Y,、Z分別表示各個基站相對基站0的實際距離，右側(cè)為標(biāo)簽信息列表,，可以顯示出某一個或多個標(biāo)簽到各個基站的實際距離,。

4 系統(tǒng)測試

    在實際室內(nèi)環(huán)境中，將4個定位模塊的基站安裝在相應(yīng)的四角位置,，具體為在同比例實際室內(nèi)環(huán)境圖中將基站0 安裝在右下角,，按逆時針方向確定其余3個基站。將同比例實際室內(nèi)環(huán)境圖導(dǎo)入上位機軟件,，寫入各基站坐標(biāo),，其中基站0為坐標(biāo)原點，按實際距離確定其余基站坐標(biāo)并填入上位機軟件相應(yīng)位置,。

    將定位模塊的標(biāo)簽安裝在一個可以移動的智能車上,，用于模擬攜帶標(biāo)簽的移動目標(biāo)。當(dāng)智能車在該實驗場地中運動時,，通過上位機的顯示界面可觀察到代表智能車的標(biāo)簽點的實時位置及相應(yīng)的運動軌跡,，實驗效果如圖11、圖12所示,。在實驗過程中,，系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定，定位的誤差在10 cm以內(nèi),。

5 結(jié)論

    本文基于超寬帶技術(shù)設(shè)計了一個室內(nèi)移動目標(biāo)定位系統(tǒng),，該系統(tǒng)硬件采用集成式設(shè)計,，體積小,，易攜帶；相應(yīng)設(shè)計了一款上位機軟件,，可實時顯示目標(biāo)當(dāng)前位置及移動軌跡信息,。系統(tǒng)中定位基站與定位標(biāo)簽有各自的唯一標(biāo)識，不會造成目標(biāo)混亂,，提高了對移動目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性,，實現(xiàn)了對室內(nèi)移動目標(biāo)的定位和運動軌跡的觀測。

參考文獻

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作者信息:

徐  軍，李群群,，王曰輝,，馬  靜

(哈爾濱理工大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）