一種基于UWB的離位告警裝置

殷慶年　袁赫

摘要：現(xiàn)在很多需要對物體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管，防止重要物資丟失或盜竊，從而減少財(cái)產(chǎn)損失。本設(shè)計(jì)通過測距方式可以有效的解決物資監(jiān)管問題。

關(guān)鍵詞：UWB；測距；單片機(jī)；

在一般的應(yīng)用場合，被監(jiān)管的物體需要人員定時巡查，并需要進(jìn)行記錄，當(dāng)被監(jiān)管的物體數(shù)量比較多，同時物體又是運(yùn)動狀態(tài)的情況，巡查人員的工作量會很大，無法做到實(shí)時監(jiān)控，并且會存在一定疏漏的幾率，不僅增加了人工成本，同時也增加了財(cái)產(chǎn)損失的風(fēng)險(xiǎn)，在后期排查時也增加了難度。因此，對物體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管是十分必要的。

1.系統(tǒng)工作原理

本裝置為整個測距系統(tǒng)的標(biāo)簽部分。測距系統(tǒng)由UWB基站、UWB標(biāo)簽以及監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。當(dāng)UWB標(biāo)簽處于在UWB基站的檢測范圍內(nèi)，稱為在位識別，UWB標(biāo)簽每次位移都與UWB基站進(jìn)行測距工作，以確定UWB標(biāo)簽的距離范圍，UWB獲取距離信息后，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。當(dāng)UWB標(biāo)簽離開UWB基站監(jiān)控范圍后，UWB標(biāo)簽定時獲取GPS坐標(biāo)并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以確定目前標(biāo)簽的具體位置。

2.硬件設(shè)計(jì)

本裝置硬件設(shè)計(jì)由主控制器、UWB測距單元、北斗定位單元以及電源控制單元組成。

2.1 主控制器

本標(biāo)簽主控制器采用ST公司的STM32L系列中的STM32L151RET6單片機(jī)。本控制器擁有512kBytes的Flash空間，運(yùn)行RAM高達(dá)80Kbytes，主頻最高32MHz，同時擁有多大6種功耗模式，可以在設(shè)定時間內(nèi)以最低功耗完成任務(wù)。

2.2 UWB測距單元

UWB測距單元采用基于Decawave公司開發(fā)的DW1000芯片，本芯片兼容IEEE802.15.4-2011協(xié)議，擁有6個頻帶，中心頻率在3.5GHz～6.5GHz，用于物體定位精度高達(dá)10厘米，數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率高達(dá)6.8Mb/s，通信距離可達(dá)300米，在高衰弱環(huán)境下也可以進(jìn)行可靠的通信，功耗低，適合電池供電。單片機(jī)與DW1000芯片使用SPI接口進(jìn)行通信。

考慮到功耗，在測距單元里增加了運(yùn)動傳感器，在靜止時標(biāo)簽處于休眠狀態(tài)，只有在運(yùn)動時才進(jìn)行測距，以便節(jié)省功耗。運(yùn)動傳感器采用低功耗三軸加速度計(jì)ADXL362進(jìn)行運(yùn)動感知。當(dāng)ADXL362檢測到振動閾值超過設(shè)定值后，通過外部中斷，將單片機(jī)從低功耗模式喚醒。ADXL362采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI通訊接口，最高速率可達(dá)5MHz，同時當(dāng)測量速率為6HZ左右時功耗低可至270nA，大大提升了裝置中電池的續(xù)航能力。UWB測距單元電路原理見圖1。

2.3 北斗定位單元

北斗定位單元采用上海移遠(yuǎn)MC20集成模塊。MC20是一款集成LCC封裝，四頻段GSM/GPRS和先進(jìn)算法GNSS引擎于一體的全功能通信模塊，具有超小體積、低功耗、雙卡單待等優(yōu)勢，同時還集成了北斗定位系統(tǒng)，因此能提供無線移動通信以及精準(zhǔn)的導(dǎo)航定位功能。

單片機(jī)與MC20模塊使用串口進(jìn)行通信，并通過AT指令集對MC20模塊進(jìn)行控制，同時在硬件方面使用MOSFET管對MC20模塊進(jìn)行電源控制，當(dāng)本標(biāo)簽在離開UWB基站監(jiān)測范圍后才打開電源開關(guān)，啟動MC20模塊，通過這樣的設(shè)計(jì)可以很好的控制功耗，延長電池使用周期。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于UWB標(biāo)簽與基站的測距部分，在進(jìn)行測距時，標(biāo)簽與基站雙方均需要獲得測量值，如何在最短的時間，以最少的通信次數(shù)來確定二者之間的距離是本部分的重點(diǎn)。本部分的軟件測距采用TWR（Two Way Ranging）算法，本算法基于TOF（time-of-flight）測距原理，實(shí)現(xiàn)雙邊TOF測距。如下圖2：

首先由節(jié)點(diǎn)A1發(fā)出start幀，基站A2接收到start幀后立即回應(yīng)response幀，節(jié)點(diǎn)接收到response幀后，立即回應(yīng)基站A2一條final幀，通過上述三次通信后，可獲取一下公式：

（d1+d2）/2=S1

S1=T1×c

其中c為光速，T1為節(jié)點(diǎn)A1從發(fā)送start幀到接收到response幀所用時間，S1即為節(jié)點(diǎn)A1獲取到的節(jié)點(diǎn)A1與基站A2之間的距離。

同樣基站A2一側(cè)公式為：

（d2+d3）/2=S2

S2=T2×c

其中c為光速，T2為基站A2從發(fā)送response幀到接收到final幀所用時間，S2即為基站A2獲取到的節(jié)點(diǎn)A1與基站A2之間的距離。

因此，通過TWR雙邊測距算法可以使標(biāo)簽與基站都使用最少的通信次數(shù)來進(jìn)行測距，具有效率高，精度高，降低整體功耗等優(yōu)點(diǎn)。

4.結(jié)語

此裝置得設(shè)計(jì)可以很好的解決一般場合的物體位置監(jiān)控問題。本系統(tǒng)可以節(jié)省人力物力，方便維護(hù)，在線時間長，可做到24小時全天候監(jiān)測。同時根據(jù)TWR測距算法可以快速準(zhǔn)確的計(jì)算物體與基站之間的距離，具有效率高，節(jié)省功耗等優(yōu)點(diǎn)。

作者簡介：殷慶年，畢業(yè)院校為遼寧工程技術(shù)大學(xué)，電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于奧維飛越通信有限公司，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)；袁赫，畢業(yè)院校為渤海大學(xué)，自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于奧維通信股份有限公司，研究方向?yàn)樽詣涌刂啤?/p>

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