基于超寬帶技術(shù)的強(qiáng)制戒毒人員實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

毒品是一種能夠使人形成癮癖的精神麻醉藥品.成癮者易產(chǎn)生抑郁、狂躁、精神分裂等癥狀，嚴(yán)重威脅自身及公共安全[1].為及早預(yù)防疾病、及時(shí)處理意外事件，對(duì)戒毒所內(nèi)人員的生理和行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要.

早期的監(jiān)控依靠視頻監(jiān)控以及人工巡視的方法，需要大量人力，難以保證及時(shí)性且容易漏檢.伴隨著物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術(shù)和人工智能（AI）技術(shù)的發(fā)展，采用無(wú)線(xiàn)方式的生理參數(shù)監(jiān)控和定位成為研究熱點(diǎn)[2].目前在康復(fù)監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的諸多研究中，基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）方法的生理參數(shù)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)日趨成熟[3－4]，但對(duì)強(qiáng)制戒毒人員實(shí)時(shí)定位的研究較少，且定位精度低一直是個(gè)亟待解決的難題[5].

當(dāng)前主流的實(shí)時(shí)定位技術(shù)包括紅外定位、射頻識(shí)別（RFID）、藍(lán)牙、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（Wi－Fi）、紫蜂（Zig－Bee）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、超寬帶（UWB）等.紅外定位利用了紅外線(xiàn)的測(cè)距功能，紅外線(xiàn)在小范圍封閉無(wú)干擾區(qū)域內(nèi)的測(cè)距精度較高.Want等[6]設(shè)計(jì)了利用紅外定位的活動(dòng)徽章（Active Badge）系統(tǒng)，但是由于光的特性，其存在無(wú)法穿越墻壁等遮擋物的問(wèn)題，且極易受到環(huán)境干擾，導(dǎo)致平均定位精度僅達(dá)5～10m，所以不適合應(yīng)用于定位系統(tǒng).RFID的定位原理類(lèi)似于GPS定位，已知讀寫(xiě)器的位置，通過(guò)測(cè)量標(biāo)簽上接收到讀寫(xiě)器信號(hào)的強(qiáng)度估算標(biāo)簽坐標(biāo).RFID的代表性系統(tǒng)是Landmarc，系統(tǒng)采用“最近鄰居”算法估計(jì)節(jié)點(diǎn)空間位置，定位精度為0.05～5m[7]，但該方法需要布置大量參考標(biāo)簽，實(shí)施復(fù)雜度高.藍(lán)牙方法則利用信號(hào)強(qiáng)度信息，通過(guò)指紋法或信號(hào)傳播模型法實(shí)現(xiàn)定位[8].藍(lán)牙方法適用于小范圍區(qū)域，如房間、小型倉(cāng)庫(kù)等地方.藍(lán)牙設(shè)備體積小、功耗低，其缺點(diǎn)是信號(hào)傳播范圍較小、抗干擾性差，定位精度在2.5m 左右[9].Wi－Fi定位方法包括基于測(cè)距定位的方法和基于指紋定位的方法[10]，其布設(shè)成本低、難度小，原理與藍(lán)牙定位類(lèi)似，定位精度為2～5m.ZigBee方法常通過(guò)信號(hào)傳播路徑損耗模型估算節(jié)點(diǎn)之間的距離從而實(shí)現(xiàn)定位。其缺點(diǎn)是信號(hào)傳輸受多徑效應(yīng)和目標(biāo)移動(dòng)的影響較大，該方法的定位精度為1～8m[11－12].GPS則依賴(lài)于地球衛(wèi)星，在室外空曠環(huán)境下可達(dá)到10m的定位精度，而室內(nèi)則由于樓層遮擋導(dǎo)致接收信號(hào)衰減，所以不適合用于室內(nèi)定位[12].

主流實(shí)時(shí)定位方案的研究中，定位精度范圍為1～10m，抗干擾性差、誤差波動(dòng)大，用在戒毒所房間、走廊等小范圍區(qū)域內(nèi)極易發(fā)生定位錯(cuò)誤，精度不能很好地滿(mǎn)足強(qiáng)制戒毒人員的定位要求.近年來(lái)興起的UWB通信技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、抗多徑效應(yīng)好、測(cè)距精度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于定位.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)制戒毒人員位置的精確管控，以UWB定位技術(shù)為研究對(duì)象，分析兩種常見(jiàn)UWB測(cè)距算法的誤差，進(jìn)一步針對(duì)雙向測(cè)距算法進(jìn)行誤差優(yōu)化，引入一個(gè)天線(xiàn)延遲補(bǔ)償參數(shù)，并提出一種延遲參數(shù)的簡(jiǎn)易調(diào)節(jié)方法.進(jìn)行誤差修正與參數(shù)調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)的測(cè)距誤差得到了控制，克服了傳統(tǒng)ZigBee、Wi－Fi等方法在狹窄走廊和小型房間內(nèi)定位不準(zhǔn)的缺點(diǎn).經(jīng)過(guò)測(cè)試，測(cè)距誤差與理論分析相符，系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)距誤差在7cm以?xún)?nèi)，測(cè)距頻率在10Hz以上，定位精度在20cm以?xún)?nèi)，位置更新頻率在5Hz以上.

所設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：定位標(biāo)簽，內(nèi)置于戒毒人員的可穿戴監(jiān)護(hù)設(shè)備；定位基站作為參考，設(shè)置于固定位置；定位服務(wù)器，用于計(jì)算定位位置，顯示人員所在位置并記錄人員的活動(dòng)軌跡.

1 測(cè)距算法與誤差分析

測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量方法為飛行時(shí)間（TOF）法.TOF法最早由 Mccrady等[13]于2000年提出，后來(lái)經(jīng)由 Gunther等[14]在電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）802.11b無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中用其作為測(cè)距技術(shù)，才逐漸應(yīng)用于室內(nèi)定位中.該測(cè)距公式為

式中：Tpro為信號(hào)傳播時(shí)間；c為信號(hào)傳播速度，取光速c＝299 792 458m／s（https：∥en.wikipedia.org／wiki／Speed＿of＿light）.TOF測(cè)距技術(shù)包括兩種方法：?jiǎn)蜗驕y(cè)距（OWR）法和雙向測(cè)距（TWR）法.OWR法需保證基站與標(biāo)簽之間的時(shí)鐘完全同步，實(shí)現(xiàn)難度大，因此通常采用無(wú)需時(shí)鐘同步的TWR法.TWR法又分為單邊雙向測(cè)距（SS－TWR）法和雙邊雙向測(cè)距（DS－TWR）法兩類(lèi).

1.1 SS－TWR法

SS－TWR法的消息機(jī)制如圖1所示.標(biāo)簽A在時(shí)間t1發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求，基站B接收到請(qǐng)求，記錄下接收時(shí)間t2，經(jīng)過(guò)Trep時(shí)間間隔，在t3時(shí)間向標(biāo)簽A返回應(yīng)答數(shù)據(jù)，最后在時(shí)間t4，標(biāo)簽A接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)，測(cè)距完成.一次完整的測(cè)距過(guò)程共由“請(qǐng)求—應(yīng)答”兩條消息組成.標(biāo)簽A發(fā)出信息至接收到來(lái)自基站B的應(yīng)答消息的時(shí)間間隔記為T(mén)ro，根據(jù)圖1，Tpro可由式（2）求得后進(jìn)而換算為距離

圖1 SS－TWR法的消息機(jī)制Fig.1 Frame format of SS－TWR method

由于Tro和Trep分別由標(biāo)簽A和基站B各自的時(shí)鐘計(jì)時(shí)器獲得，其晶振難以保證工作頻率準(zhǔn)確工作于標(biāo)稱(chēng)頻率，因此會(huì)產(chǎn)生各自微小的頻率偏差，頻偏比例分別記為eA和eB.則信號(hào)傳輸時(shí)間Tpro的測(cè)量值與理論值Tpro之間的時(shí)間誤差εt為

系統(tǒng)所采用的消息幀為16～24Byte，以110 kbit／s的速率發(fā)送，約需要1.16～1.74ms發(fā)送完畢.若標(biāo)簽與基站間隔50m，則Tpro約為167ns?1.16ms，結(jié)合式（2），可近似認(rèn)為T(mén)ro≈Trep.由式（3）可知，因eA與eB之間的差值固定，當(dāng)Trep越大時(shí)，εt越大.因此，該方法在測(cè)量中應(yīng)盡可能減小Trep以減小εt.將式（3）的時(shí)間誤差換算為距離誤差εd，其與Trep，eA－eB的關(guān)系如圖2所示.

圖2 εd 與Trep，eA－eB 的關(guān)系Fig.2 Relationship amongεdand Trep，eA－eB

1.2 DS－TWR法

DS－TWR法的消息機(jī)制如圖3所示.與SSTWR法不同，DS－TWR法增加了一幀“結(jié)束”消息，即一次完整的測(cè)距過(guò)程由“請(qǐng)求—應(yīng)答—結(jié)束”3條消息組成.通過(guò)精確采樣t′1～t′66個(gè)發(fā)出或接收消息的時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算T′ro1，T′rep1，T′ro2，T′rep24個(gè)時(shí)間間隔，利用式（4）求得信號(hào)的傳輸時(shí)間T′pro為

圖3 DS－TWR法的消息機(jī)制Fig.3 Frame format of DS－TWR method

由于T′ro1，T′rep2由標(biāo)簽 A 的時(shí)鐘采樣計(jì)算，T′ro2，T′rep1由基站B的時(shí)鐘采樣計(jì)算，記標(biāo)簽A與基站B的時(shí)鐘偏差分別為eA和eB.則信號(hào)傳輸時(shí)間T′pro的測(cè)量值和理論值T′pro的時(shí)間誤差ε′t為

由式（5）可見(jiàn)，ε′t與T′rep1與T′rep2的差值成正比，且該差值越接近于0時(shí)，ε′t越小.該方法利用 “A→B”和“B→A”兩次互補(bǔ)的測(cè)距過(guò)程，抵消了由于標(biāo)簽A與基站B之間的時(shí)鐘偏差帶來(lái)的誤差.對(duì)比式（5）與式（3），因?yàn)棣′rep遠(yuǎn)小于Trep，所以 DS－TWR法比SS－TWR法的時(shí)間誤差要小得多.

將式（5）的時(shí)間誤差換算為距離誤差ε′d，其與ΔT′rep，e′A－e′B之間的關(guān)系如圖4所示.由于ε′d與ΔT′rep成正比，可以使ΔT′rep盡可能接近于0以減小誤差，即“A→B”和“B→A”兩次測(cè)距過(guò)程盡可能對(duì)稱(chēng).

圖4 ε′d與 ΔT′rep，e′A－e′B 的關(guān)系Fig.4 Relationship amongε′dandΔT′rep，e′A－e′B

1.3 DS－TWR非對(duì)稱(chēng)測(cè)距誤差修正

實(shí)際中，Trep1依賴(lài)于標(biāo)簽A的時(shí)鐘，而Trep2依賴(lài)于基站B的時(shí)鐘，兩者的計(jì)時(shí)器相互獨(dú)立，使ΔT″rep等于0是非常困難的.因此，在DS－TWR法的基礎(chǔ)上，對(duì)誤差進(jìn)行了進(jìn)一步修正，稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)雙邊測(cè)距（ADS－TWR）.修正后，計(jì)算信號(hào)傳播時(shí)間T″pro的公式為

簡(jiǎn)述式（7）的建立過(guò)程.假設(shè)時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為1Hz，標(biāo)簽A的時(shí)鐘頻率為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的kA倍，基站B的時(shí)鐘頻率為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的kB倍，且有

則根據(jù)圖3有如下關(guān)系式：

將式（8）代入式（9）可得

進(jìn)一步化簡(jiǎn)，即可得到式（7）.

該方法基于假設(shè)標(biāo)簽A與基站B時(shí)鐘頻率的平均值等于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，因此時(shí)間誤差ε″t只與兩者時(shí)鐘頻率平均值與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的偏差有關(guān)，尤其對(duì)于標(biāo)簽A與基站B的時(shí)鐘頻偏為一正一負(fù)的系統(tǒng)精度更高.ε″t的表達(dá)為

由式（11）可知，ε″t不與 ΔT″rep相關(guān)，克服了 DSTWR法中誤差與ΔT′rep線(xiàn)性相關(guān)的問(wèn)題，進(jìn)一步減小了非對(duì)稱(chēng)情況下的距離誤差ε″d，尤其對(duì)于標(biāo)簽A與基站B的時(shí)鐘頻偏為一正一負(fù)的情況，精度更高.ε″d與距離S、時(shí)鐘偏差σ的關(guān)系如圖5所示，其中，ε″d由式（11）中的ε″t換算而來(lái).

圖5 ε″d與S，σ之間的關(guān)系Fig.5 Relationship amongε″dand S，σ

2 測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

測(cè)距系統(tǒng)選用Decawave公司生產(chǎn)的DW1000超寬 帶 通 信 芯 片，符 合 IEEE802.15.4－2011[15]標(biāo)準(zhǔn)，支持高達(dá)6.8Mb／s的通信速率，具有強(qiáng)抗多徑能力，低功耗和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于高精度測(cè)距.測(cè)距系統(tǒng)由 ARM（Advanced RISC Machines）微控制器（MCU）、DWM1000收發(fā)模塊、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示屏幕、串口和上位機(jī)構(gòu)成，如圖6（a）所示.系統(tǒng)基站實(shí)物圖如圖6（b）所示，其尺寸約為51mm×35mm，標(biāo)簽與基站采用同樣的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu).ARM微控制器與DWM1000收發(fā)模塊之間通過(guò)串行外圍設(shè)備接口（SPI）協(xié)議連接，與OLED屏幕之間通過(guò)集成電路總線(xiàn)（IIC）連接，與上位機(jī)之間通過(guò)串口通用異步收發(fā)傳輸器（UART）連接.OLED屏幕用于顯示測(cè)距結(jié)果與顯示系統(tǒng)狀態(tài)，上位機(jī)用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)延遲等參數(shù)，顯示、存儲(chǔ)測(cè)距結(jié)果以方便管理.

圖6 測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖Fig.6 The structure chart and photo of ranging system

選擇性能最佳的ADS－TWR法作為測(cè)距算法，由于算法誤差不受ΔT″rep影響，系統(tǒng)可在單一基站與多標(biāo)簽同時(shí)測(cè)距的情況下保持相同精度.此外，在數(shù)據(jù)信號(hào)開(kāi)始傳輸后需經(jīng)過(guò)微波放大電路和天線(xiàn)等模塊，會(huì)給傳輸過(guò)程帶來(lái)一定的延遲，因此消息實(shí)際發(fā)出或接收的時(shí)間與采樣時(shí)間有所偏差.由于信號(hào)傳播速度極快，信號(hào)延遲不可忽略不計(jì).

針對(duì)這一問(wèn)題，引入一個(gè)延遲參量τ，用于補(bǔ)償電路與天線(xiàn)所帶來(lái)的延遲.此參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)過(guò)程需要在生產(chǎn)線(xiàn)上經(jīng)過(guò)高精度時(shí)間采樣設(shè)備和控制設(shè)備完成.普通應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)這種標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)條件，而且延遲參數(shù)因電路設(shè)計(jì)的不同各不相同，因此本文提出一種簡(jiǎn)易而有效的、基于Monte Carlo法[16]的延遲校準(zhǔn)方法.

2.2 系統(tǒng)延遲參數(shù)校準(zhǔn)

τ用于補(bǔ)償微波放大器和天線(xiàn)引入的延遲，校準(zhǔn)的思路為：使發(fā)送端與接收端相隔固定距離放置，借助Monte Carlo法，隨機(jī)生成若干組參數(shù)以評(píng)估各組參數(shù)設(shè)置下的系統(tǒng)效果，進(jìn)而篩選出最佳參數(shù)τ，即獲得延遲參數(shù).該方法簡(jiǎn)單易行且有效，校準(zhǔn)算法執(zhí)行過(guò)程如下.

（1）準(zhǔn)備工作.將標(biāo)簽A與基站B相隔固定的距離la對(duì)向放置，兩者天線(xiàn)要正向相對(duì)，基站B通過(guò)串口連接至校準(zhǔn)計(jì)算機(jī).

（2）設(shè)置初始值.在校準(zhǔn)軟件中設(shè)置迭代次數(shù)N；參數(shù)的初始值；微調(diào)步長(zhǎng)Δτ，τ的取值范圍為0～65 535，對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間范圍為0～1 025ns[17].校準(zhǔn)軟件隨機(jī)生成n組延遲參數(shù)Di＝ （τA，τB），分別代表標(biāo)簽A的延遲參數(shù)及基站B的延遲參數(shù).執(zhí)行N次迭代過(guò)程.

（3）進(jìn)行一次迭代過(guò)程.在上一步驟生成的n組延遲參數(shù)中，校準(zhǔn)軟件依次把每組延遲參數(shù)通過(guò)串口發(fā)送至基站B，基站B存儲(chǔ)τB，同時(shí)將τA通過(guò)消息發(fā)送至標(biāo)簽A.隨后基站B以及標(biāo)簽A分別進(jìn)行500次DS－TWR法測(cè)距過(guò)程，結(jié)果經(jīng)由基站B的串口回傳至校準(zhǔn)軟件，校準(zhǔn)軟件取均值獲得本次測(cè)量距離結(jié)果Li＝ （lABi，lBAi）.其中，lABi為標(biāo)簽A向基站B測(cè)距的結(jié)果；lBAi為基站B向標(biāo)簽A測(cè)距的結(jié)果.重復(fù)步驟3直到完成n組延遲參數(shù)的設(shè)置與測(cè)距.

（4）對(duì)n組延遲參數(shù)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估篩選.定義誤差評(píng)價(jià)函數(shù)Fi＝Li－La2，其中La＝ （la，la）為A與B之間的已知距離.該步驟分為3步：

① 計(jì)算n組延遲參數(shù)各自的評(píng)價(jià)函數(shù)Fi，篩選出函數(shù)值最小的25%延遲參數(shù)加入新一次迭代中的n組延遲參數(shù)中.

② 將篩選出的25%延遲參數(shù)分別疊加±Δτ變化量，加入新一次迭代的n組延遲參數(shù).

③最后，利用隨機(jī)生成法生成剩余的50%延遲參數(shù).重復(fù)步驟③，進(jìn)行下一次迭代.

（5）達(dá)到迭代次數(shù)N，校準(zhǔn)結(jié)束.以最終結(jié)果中評(píng)價(jià)函數(shù)值最小的延遲參數(shù)作為最終的延遲參數(shù)校準(zhǔn)值Dca＝ （τA，τB），至此校準(zhǔn)完成.

參數(shù)校準(zhǔn)調(diào)節(jié)的流程框圖如圖7所示，其中，虛線(xiàn)框?yàn)椤坝?jì)算誤差函數(shù)，更新延遲參數(shù)”的子程序框圖.

圖7 校準(zhǔn)算法框圖Fig.7 Flowchart of calibration algorithm

3 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)以測(cè)距系統(tǒng)為基礎(chǔ)擴(kuò)展而來(lái)，由3個(gè)基站，1個(gè)標(biāo)簽構(gòu)成.基站1通過(guò)串口連接到上位機(jī)，將測(cè)距信息回傳至定位軟件，由定位軟件計(jì)算、估計(jì)出標(biāo)簽的最佳實(shí)時(shí)位置，并進(jìn)行顯示繪圖.

三邊－質(zhì)心測(cè)量定位法[12]被用于計(jì)算標(biāo)簽的位置，在固定位置放置3個(gè)不共線(xiàn)的基站B1，B2，B3，標(biāo)簽A分別與3個(gè)基站進(jìn)行測(cè)距，測(cè)得距離為r1，r2，r3.分別以3個(gè)基站為圓心，3個(gè)距離為半徑畫(huà)圓，3個(gè)圓的交點(diǎn)位置即為標(biāo)簽A的位置.

設(shè)標(biāo)簽A的坐標(biāo)位置為（x，y），基站B1，B2，B3的坐標(biāo)位置分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），利用 ADS－TWR法測(cè)得的距離分別為r1，r2，r3，則有如下關(guān)系：

式（12）有3個(gè)方程，2個(gè)未知數(shù)，為超靜定方程，故使用非線(xiàn)性最小二乘法求解，利用Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)法近似計(jì)算使得誤差最小，進(jìn)而估計(jì)出標(biāo)簽的最佳位置.

三邊定位算法的誤差取決于兩個(gè)因素：基站的幾何分布和各測(cè)量值的大小[18].文獻(xiàn)[19]中的仿真結(jié)果表明：當(dāng)基站數(shù)量較多時(shí)，將其按照蜂窩型布置獲得的定位誤差最小.在三基站的系統(tǒng)中，將其擺放于等邊三角形的3個(gè)頂點(diǎn)即可.

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行4項(xiàng)基本測(cè)試：延遲參數(shù)校準(zhǔn)、靜態(tài)測(cè)距、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)定位和功耗測(cè)試.場(chǎng)地為開(kāi)闊無(wú)障礙物的大廳，各基站架設(shè)于三腳架上，距離地面高為75cm.系統(tǒng)的通信速率為110kbit／s，發(fā)送數(shù)據(jù)幀有“請(qǐng)求”，“應(yīng)答”和“結(jié)束”3種.除IEEE802.15.4－2011[16]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的前導(dǎo)碼外，還包括數(shù)據(jù)（Data）部分，其發(fā)射長(zhǎng)度分別為12，16，24Byte.數(shù)據(jù)部分包含幀識(shí)別字，幀序號(hào)，發(fā)送設(shè)備地址，接收設(shè)備地址，時(shí)間戳，測(cè)量結(jié)果，校驗(yàn)字等多種信息.

4.1 延遲參數(shù)校準(zhǔn)測(cè)試

所提算法的搜索校準(zhǔn)過(guò)程如圖8所示.其中，τA為標(biāo)簽A的延遲參數(shù)；τB為基站B的延遲參數(shù)；j為迭代次數(shù)；紅色“×”點(diǎn)為每次迭代中搜索到的最優(yōu)參數(shù)；藍(lán)色點(diǎn)為隨機(jī)生成的其他參數(shù).由圖8可知，每次迭代均能縮小最優(yōu)參數(shù)所在范圍，在第12次迭代時(shí)，最優(yōu)延遲參數(shù)已經(jīng)收斂至某一點(diǎn)附近，在達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，將獲得最優(yōu)參數(shù).最終，所設(shè)計(jì)模塊的延遲參數(shù)校準(zhǔn)在32 900附近，換算為實(shí)際時(shí)間約為515ns.將參數(shù)寫(xiě)入DW1000芯片保存.

圖8 最優(yōu)延遲參數(shù)搜索過(guò)程Fig.8 Process of searching best delay parameters

4.2 雙向測(cè)距靜態(tài)測(cè)試

使用單基站與單標(biāo)簽進(jìn)行雙向測(cè)距測(cè)試，分別使用SS－TWR法，DS－TWR法和經(jīng)過(guò)改進(jìn)的ADSTWR3種測(cè)距方法進(jìn)行靜態(tài)測(cè)距實(shí)驗(yàn).在100～2 000cm范圍內(nèi)每隔200cm等間隔選擇10個(gè)測(cè)距位置點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)執(zhí)行200次測(cè)距.3種方法在測(cè)量前均已進(jìn)行模塊延遲的校準(zhǔn)修正.

3種測(cè)距方法的測(cè)距誤差ε3d與均方誤差（MSE）如圖9所示.由圖9可知，SS－TWR法的測(cè)距誤差最大，距離較近時(shí)測(cè)距精度較差.隨著距離的不斷增加，誤差有所降低，但依舊有15cm以上的測(cè)距誤差，且隨著距離持續(xù)增大，誤差也在持續(xù)增加.DS－TWR法的測(cè)距誤差較小，無(wú)論距離遠(yuǎn)近，其測(cè)距誤差始終在10cm以?xún)?nèi).改進(jìn)的ADS－TWR法的測(cè)距誤差與DS－TWR法持平，測(cè)距誤差保持在10 cm以下的同時(shí)，在各測(cè)距點(diǎn)的誤差水平都比較穩(wěn)定，而且在測(cè)距距離達(dá)到20m時(shí)依舊具有5cm的高精度.3種測(cè)距方法的誤差水平與前文的理論分析相符.

圖9 3種測(cè)距方法的測(cè)距誤差和均方誤差Fig.9 Ranging error and mean square errors of three algorithms

考慮到功耗問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)設(shè)定為測(cè)距完成休眠一段時(shí)間后再執(zhí)行下一次測(cè)距，頻率控制在10Hz，通過(guò)軟件計(jì)時(shí)測(cè)得的一次測(cè)距周期為0.096s.

4.3 測(cè)距系統(tǒng)功耗分析

通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)的電流電壓分析其功耗水平.測(cè)量?jī)x器選用正泰ZTY1201A電流電壓檢測(cè)儀.在不間斷地持續(xù)工作時(shí)，測(cè)距頻率約為62Hz，標(biāo)簽電壓為5.08V，電流為0.11A，算得的功率為0.559W.考慮到標(biāo)簽需內(nèi)置于可穿戴設(shè)備，如持續(xù)工作功耗過(guò)大，將嚴(yán)重影響電池壽命，故權(quán)衡測(cè)距頻率和功耗，保證測(cè)量精度與分辨率的同時(shí)，降低測(cè)量頻率.相鄰兩次測(cè)量之間，設(shè)備處于休眠模式以節(jié)省功耗.設(shè)置測(cè)距頻率保持在10Hz，此時(shí)測(cè)得電壓為5.10V，電流為0.05A，功率為0.255W.使用3.7 V，1 350mA·h的鋰聚合物電池供電，續(xù)航時(shí)間為14～16h，可滿(mǎn)足一天內(nèi)的使用需求.

測(cè)距頻率選擇10Hz，定位頻率選擇5Hz，當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)速度為1.2m／s時(shí)，分別具有12cm和24cm的分辨率，實(shí)現(xiàn)功耗與分辨率的平衡，能夠滿(mǎn)足戒毒所場(chǎng)景中的測(cè)距定位需求.

4.4 定位系統(tǒng)測(cè)試

基于三邊－質(zhì)心定位法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的定位精度，定位系統(tǒng)所采用的測(cè)距方法為基于改進(jìn)誤差的ADS－TWR法.將3個(gè)基站B1～B3放置于邊長(zhǎng)為8m的等邊三角形的3個(gè)頂點(diǎn)處，坐標(biāo)為（0，0）m，（8，0）m，（4，4）m，其構(gòu)成的測(cè)試區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)邊長(zhǎng)為8m，寬為4m的長(zhǎng)方形，約為一房間的面積.

4.4.1 單目標(biāo)系統(tǒng)定位測(cè)試 單目標(biāo)定位系統(tǒng)測(cè)試如圖10所示，其中，綠色正方形為基站；紅色點(diǎn)為預(yù)先選取的測(cè)試點(diǎn)；紅色虛線(xiàn)為移動(dòng)路線(xiàn)；藍(lán)色點(diǎn)為實(shí)測(cè)位置點(diǎn).測(cè)試分為兩部分：① 在基站圍成的區(qū)域內(nèi)，設(shè)測(cè)試點(diǎn)為Pi，Qi，i＝1～4.測(cè)試目標(biāo)沿隨身攜帶的標(biāo)簽沿紅色虛線(xiàn)以 “P1—P4，P4—Q4，Q4—Q1”路徑平穩(wěn)緩慢移動(dòng)，并在每個(gè)點(diǎn)處停留1 min，進(jìn)行區(qū)域內(nèi)的定位測(cè)試.② 測(cè)試目標(biāo)沿隨身攜帶的標(biāo)簽沿紅色虛線(xiàn)以“B1—B2—B3”路徑平穩(wěn)緩慢移動(dòng)，并在每個(gè)點(diǎn)處停留1min，進(jìn)行邊界點(diǎn)的定位測(cè)試.

圖10 單目標(biāo)定位系統(tǒng)測(cè)試圖Fig.10 Single object location system tests

由圖10可知，目標(biāo)在緩慢移動(dòng)的測(cè)試中，很好地貼合了設(shè)定的紅色虛線(xiàn)軌跡.總計(jì)11個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均誤差和MSE1如圖11所示.結(jié)合圖10可知，系統(tǒng)具有穩(wěn)定且良好的靜態(tài)測(cè)量精度，無(wú)論是在區(qū)域內(nèi)還是在邊界點(diǎn)即與基站重合的位置，測(cè)試點(diǎn)的方差都較小.由圖11可知，靜態(tài)情況下的最大值在18cm，最小值可達(dá)到5cm以?xún)?nèi)，所有測(cè)試點(diǎn)的為12.25cm，誤差范圍為4～20cm，靜態(tài)情況下測(cè)試點(diǎn)的方差均較小.對(duì)位置測(cè)量時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，平均每次定位耗時(shí)0.186s，位置刷新頻率達(dá)到5Hz以上，能夠保持對(duì)行走目標(biāo)定位的高分辨率.

4.4.2 多目標(biāo)系統(tǒng)定位測(cè)試 實(shí)際應(yīng)用中，往往需要對(duì)多個(gè)目標(biāo)、不同速度運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行定位.在單目標(biāo)測(cè)試中，標(biāo)簽依次向3個(gè)基站測(cè)距，即可完成定位.當(dāng)目標(biāo)增加后，多個(gè)目標(biāo)同時(shí)向基站發(fā)起測(cè)距請(qǐng)求，數(shù)據(jù)量增大，難免出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀擁擠碰撞的問(wèn)題.受到Cricket系統(tǒng)[20]中處理沖突方法的啟發(fā)，采用動(dòng)態(tài)隨機(jī)設(shè)置測(cè)距休眠間隔的方法，減少數(shù)據(jù)幀碰撞的概率以降低標(biāo)簽之間的相互干擾.

多目標(biāo)定位系統(tǒng)測(cè)試如圖12所示，其中，tag0和tag1分別代表兩個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，tag1分別在Q1，Q2，Q3（縱坐標(biāo)為2m，橫坐標(biāo)依次為1m，3m，5m）3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)，tag0對(duì)應(yīng)處在P1，P2，P33個(gè)點(diǎn)（縱坐標(biāo)為4m，橫坐標(biāo)同tag1）；.由圖12可知，當(dāng)對(duì)多目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，定位的平均誤差為12.59cm，誤差范圍在8～20cm，精度與單目標(biāo)定位接近；而定位的MSE2相比單目標(biāo)定位有所增大，其原因是多目標(biāo)同時(shí)定位會(huì)產(chǎn)生消息碰撞的問(wèn)題，部分測(cè)距信息幀丟失，同時(shí)標(biāo)簽之間還存在相互干擾，最終導(dǎo)致測(cè)距結(jié)果的方差變大，在不增加功耗提升測(cè)距頻率的情況下，基于測(cè)距的定位刷新頻率也降至3～5Hz，難以穩(wěn)定在5Hz.

圖11 單目標(biāo)定位測(cè)試的ε－與MSE1曲線(xiàn)Fig.11 Theε－and MSE1of single object location test

圖12 多目標(biāo)定位測(cè)試Fig.12 Multi－object location test

5 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的安全、身心、健康等方面的全方位監(jiān)控，本文設(shè)計(jì)了一種用于戒毒所人員實(shí)時(shí)位置定位和管理的系統(tǒng)，彌補(bǔ)早期定位方案中的不足之處，提出延遲參數(shù)的簡(jiǎn)易調(diào)節(jié)方法，進(jìn)一步對(duì)測(cè)距中的誤差進(jìn)行優(yōu)化減小，達(dá)到了厘米級(jí)的測(cè)距和定位精度.所設(shè)計(jì)的UWB測(cè)距定位系統(tǒng)包含測(cè)距與定位兩個(gè)功能，支持室內(nèi)與戶(hù)外鋪設(shè)的使用.高精度測(cè)距功能實(shí)現(xiàn)了高達(dá)7cm的測(cè)距精度，10Hz的距離刷新頻率，可在外勤時(shí)限制強(qiáng)制戒毒人員的活動(dòng)范圍，及時(shí)發(fā)現(xiàn)逃離事件；定位功能達(dá)到了20cm的定位精度，5Hz的刷新頻率，可對(duì)區(qū)域內(nèi)的人員位置進(jìn)行精確定位與顯示，便于戒毒所內(nèi)人員位置的可視化管理.測(cè)距定位系統(tǒng)將與戒毒所內(nèi)的管理系統(tǒng)深度結(jié)合，形成更加完善的安全監(jiān)護(hù)體系.