基于DW1000的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)距優(yōu)化方法

李園園，李 勇

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528404）

基于DW1000的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)距優(yōu)化方法

李園園，李 勇

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528404）

文章提出了基于DecaWave的單片收發(fā)一體射頻芯片DW1000的UWB定位方案，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟硬件框，討論了相關(guān)定位算法及測(cè)距的優(yōu)化算法。系統(tǒng)中被測(cè)節(jié)點(diǎn)（tag）與錨節(jié)（anchor）點(diǎn)通過(guò)雙向TDOA算法等到兩者之間的距離，tag與多個(gè)anchor的距離通過(guò)UWB通信被匯總至定位服務(wù)器，由定位服務(wù)器三角質(zhì)心定位算法測(cè)算出tag的三維空間坐標(biāo)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，系統(tǒng)在LOS環(huán)境下具有較高的精度，在NLOS環(huán)境下也具有良好表現(xiàn)。

室內(nèi)定位；UWB；TDOA；三角質(zhì)心算法

無(wú)線定位技術(shù)是利用射頻信號(hào)和幾種常用定位算法，實(shí)現(xiàn)定位、追蹤和監(jiān)測(cè)特定目標(biāo)的位置的技術(shù)。常見(jiàn)的定位技術(shù)有：WiFi定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）定位技術(shù)等。UWB定位在理論上可獲得厘米級(jí)甚至更高的定位精度, 在精確定位應(yīng)用中極具潛力，是當(dāng)前無(wú)線定位技術(shù)研究熱點(diǎn)[1]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

要在三維空間中實(shí)現(xiàn)定位，定位系統(tǒng)至少需要3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，1個(gè)被測(cè)的可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，一臺(tái)運(yùn)行定位算法的定位服務(wù)器。在三維空間中，錨節(jié)點(diǎn)被安裝特定的已知位置，被測(cè)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在三維空間中可以隨意移動(dòng)。被測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分別與各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間采用TDOA[2]算法確定兩者之間的距離，然后被測(cè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到定位服務(wù)器，由定位服務(wù)器根據(jù)定位算法計(jì)算出被測(cè)節(jié)點(diǎn)的空間位置[3]。錨節(jié)點(diǎn)與被測(cè)節(jié)點(diǎn)以及定位服務(wù)器端的接受器，在系統(tǒng)中采用相同的硬件結(jié)構(gòu)，由軟件分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)主要由系統(tǒng)電源管理部分、UWB射頻收發(fā)模塊、stm32主控部分構(gòu)成，如圖1所示。

2.1 UWB射頻收發(fā)模塊

UWB射頻收發(fā)模塊：是本定位系統(tǒng)的核心部件，錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用相同的電路，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各自功能，錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間通過(guò)射頻通信以及雙向TDOA算法來(lái)了解點(diǎn)之間的距離。

該模塊的無(wú)線定位芯片DW1000是芯片初創(chuàng)企業(yè)DecaWave發(fā)布的一款基于UWB技術(shù)的兼容IEEE802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片。模塊中DW1000所使用的晶振頻率為38.4 MHz，可由溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO）直接通過(guò)XTAL1管腳直接提供振蕩源，但成本相對(duì)較高，本系統(tǒng)直接在XTAL1 與XTAL2管腳間加入一振蕩頻率為38.4 MHz的石英晶體。對(duì)于石英晶體由于工藝產(chǎn)生的偏差，DW1000可通過(guò)fs_xtal寄存器進(jìn)行-20～20 ppm的補(bǔ)償，本系統(tǒng)選擇Geyer公司型號(hào)為kx-5t的晶體。

DW1000正常工作電壓為3.3 V，部分片上資源可以直接由外部3.3 V供電，部分資源需通過(guò)片上LDO降壓至1.8 V供電，這些LDO需通過(guò)相關(guān)管腳外接去耦電容，如圖2中VDDDIG，VDDREG，VDDIF，VDDMS，VDDVCO，VDDCLK，VDDSYN均通過(guò)0.1 μF的電容去耦接地。

芯片的射頻收發(fā)范圍為3～8 GHz，故系統(tǒng)中的平衡變壓器T1以及陶瓷天線在選型時(shí)均需考慮工作頻率，T1為T(mén)DK 的HHM1595A1，陶瓷天線為Partron的ACS5200HFAUWB。

DW1000有8個(gè)GPIO，且均可配置為第二功能，本系統(tǒng)中不作其他用途，連接至接線端子，作為備用。SPICSn, SPICLK, SPIMOSI, SPIMISO連接至主控芯片Stm32f103rbt6中SPI模塊對(duì)應(yīng)的管腳，作為DW1000與Stm32f103rbt6的通信接口。

圖1 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 主控芯片

stm32主控部分通過(guò)Spi總線對(duì)DW1000模塊進(jìn)行配置管理以及數(shù)據(jù)通信，被測(cè)點(diǎn)還需要將距離數(shù)據(jù)打包然后與定位服務(wù)器通信，定位服務(wù)器通過(guò)幾何算法確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最終位置。

系統(tǒng)中使用的控制芯片為意法半導(dǎo)體公司的Stm32f103rbt6，該芯片基于32位cortex-m3內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)到72 MHz。該芯片具有以下特點(diǎn)：（1）具有128 K字節(jié)的程序存儲(chǔ)空間，20 K字節(jié)的sram空間；（2）具有豐富的可編程IO資源以及AD與DA資源；（3）多種通信接口，如SPI接口、I2C接口、Uart接口以及Can總線等接口；（4）有睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式多種低功耗模式。根據(jù)以上特點(diǎn)，主控部分可以盡量做到低功耗，占用較少的空間尺寸。

3 程序框架與算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體軟件框架設(shè)計(jì)如圖2所示，軟件框架主要分為3層：用戶應(yīng)用層、DWM API業(yè)務(wù)層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。其中DecaWare實(shí)現(xiàn)了DWM API業(yè)務(wù)層以及驅(qū)動(dòng)層部分代碼。驅(qū)動(dòng)層通過(guò)DM1000的SPI接口來(lái)控制其運(yùn)行，在驅(qū)動(dòng)層中提供了用于訪問(wèn)硬件的接口函數(shù)writetospi()和readfromspi()，這兩個(gè)函數(shù)需要根據(jù)不同的主控芯片及其配置來(lái)有用戶自己實(shí)現(xiàn)。

圖 2 系統(tǒng)程序框架

3.1 測(cè)距算法

系統(tǒng)中兩節(jié)點(diǎn)之間的距離采用了雙向TDOA算法，算法執(zhí)行過(guò)程如下：

tag發(fā)送一條poll給目標(biāo)anchor節(jié)點(diǎn)，并標(biāo)記發(fā)送時(shí)間Tsp，然后進(jìn)入開(kāi)始偵聽(tīng)anchor的response消息的狀態(tài)，如果一段時(shí)間沒(méi)有消息，則tag會(huì)超時(shí)，并再次發(fā)出poll消息。

anchor偵聽(tīng)地址為自己的poll消息，如得到消息，則標(biāo)記接收時(shí)間Trp，并發(fā)出response消息給tag，同時(shí)標(biāo)記發(fā)送時(shí)間Tsr。

tag收到respond消息，標(biāo)記接收時(shí)間Trr，然后將Tsp，Trr，Tsf打包進(jìn)入一幀final消息發(fā)送給anchor，其中Tsf為該消息的發(fā)送時(shí)間（dw1000特殊功能）。

anchor接收到final后，就有足夠的信息計(jì)算出兩者距離。

則單邊f(xié)light時(shí)間為：

3.2 測(cè)距優(yōu)化

式（1）中，Tsp，Tsr，Tsf是每一個(gè)發(fā)射幀的RMARKER（數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)脈沖離開(kāi)發(fā)射天線的時(shí)刻），其中包含從發(fā)射電路到發(fā)射天線的延時(shí)TX_ANTD；Trr，Trp，Trf是每一個(gè)接收幀的RMARKER（數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)脈沖到達(dá)接收天線的時(shí)刻），其中包含從接收天線到接收電路的延時(shí)LDE_RXANTD。

從上面可以看出，TX_ANTD與LDE_RXANTD的值的精度將會(huì)影響TOF，從而影響到兩點(diǎn)之間的測(cè)量距離。我們采用如下方式來(lái)調(diào)整：

（1）讓發(fā)射端和接收端的天線相距一個(gè)無(wú)遮擋的標(biāo)準(zhǔn)距離，如100 cm；（2）根據(jù)脈沖PRF（pulse repetition frequency），選擇經(jīng)驗(yàn)值，DWT_PRF_64M_RFDLY （515.6f）；或DWT_PRF_16M_RFDLY（515.0f））；（3）重復(fù)收發(fā)實(shí)驗(yàn)，比較根據(jù)上式（1）所計(jì)算出的距離與標(biāo)準(zhǔn)距離，調(diào)整天線延時(shí)值，直到計(jì)算距離與標(biāo)準(zhǔn)距離相等，得到精確的天線延時(shí)值。

3.3 定位算法

由雙向TDOA算法測(cè)量tag標(biāo)簽與3個(gè)anchor標(biāo)簽的距離后R1，R2，R3后，假設(shè)3個(gè)anchor標(biāo)簽在空間中的坐標(biāo)已知且分別為(x1,y1,z1), (x2,y2,z2),(x3,y3,z3)，被測(cè)tag標(biāo)簽坐標(biāo)未知,坐標(biāo)為(x,y,z)?？梢缘玫揭韵路匠探M，解出方程組的兩組解，在根據(jù)anchor標(biāo)簽安裝位置既可以篩選出tag標(biāo)簽的坐標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

按照前文所述的軟硬件結(jié)構(gòu)搭建好系統(tǒng)后并進(jìn)行環(huán)境設(shè)計(jì)后，分別進(jìn)行了tag標(biāo)簽與anchor標(biāo)簽之間的TDOA算法測(cè)試，以及整個(gè)系統(tǒng)三角質(zhì)心定位算法[4]測(cè)距，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 定位誤差測(cè)試表

從表1中可以看出，UWB在直線測(cè)距中表現(xiàn)非常優(yōu)秀，而且有較好的抗多徑能力，定位算法的選擇也將影響實(shí)際的定位精度。

與同屬射頻信號(hào)的藍(lán)牙定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)相比，UWB在定位精度上有這顯著的提高，隨著高精度室內(nèi)定位市場(chǎng)價(jià)值的開(kāi)發(fā)，UWB定位技術(shù)將會(huì)有較大的關(guān)注和發(fā)展。

[1]張令文，楊剛.超寬帶室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2013（6）：706-713.

[2]朱國(guó)輝，馮大政，周延，等.一種線性校正到達(dá)時(shí)間差定位算法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2015（1）：85-90.

[3]肖竹，王勇超，田斌，等.超寬帶定位研究與應(yīng)用：回顧和展望[J].電子學(xué)報(bào)，2011（1）：133-141.

[4]趙大龍，白鳳山，董思宇，等.一種基于卡爾曼和線性插值濾波的改進(jìn)三角質(zhì)心定位算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2015（7）：1086-1090.

Abstract: This paper analyzes the status of course scheduling algorithm in domestic and foreign research and puts forward the idea of priority scheduling algorithm based on equivalent classification, the idea includes the basic principles of the determination algorithm, algorithm, etc. In the end, the flow chart of the algorithm and the related test data are given in this paper.

Key words: educational administration system; algorithm; priority

Design and optimization of indoor positioning system based on DW1000

Li Yuanyuan, Li Yong
（Zhongshan Polytechnic, Zhongshan 528404, China）

This paper presents an UWB positioning scheme based on DecaWave single chip transceiver integrated RF chip DW1000 and designs the software and hardware architecture of the system, depicts its design and type selection, discusses correlation location algorithm and ranging optimization algorithm. The nodes in the system under test (tag) and anchor section (anchor) through the bidirectional TDOA algorithm when the distance between the two, tag and multiple anchor distance by UWB communication are aggregated to the location server, a location server triangle centroid location algorithm is used to calculate the 3D coordinates of tag. Experimental results show that the system has a high precision in the LOS environment, and also has a good performance in the NLOS environment.

indoor positioning; UWB; TDOA; triangle centroid algorithm

Design of course scheduling algorithm based on priority classification

Yang Ming
（Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210031, China）

中山市科技計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：x2013A3FC0306。中山市社會(huì)公益科技研究專項(xiàng)資金；項(xiàng)目編號(hào)：2015B2368。

李園園（1981— ），女 ，甘肅白銀，講師；研究方向：嵌入式系統(tǒng)，移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)。