基于移動(dòng)手機(jī)的UWB定位技術(shù)研究

宋璐輝　崔巖

摘 要：UWB（Ultra-Wideband）是一種無(wú)載波通信技術(shù)，它利用納秒～微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這是其他無(wú)線通信技術(shù)不可比擬的。

關(guān)鍵詞：UWB技術(shù);室內(nèi)定位技術(shù);移動(dòng)端定位

1 項(xiàng)目背景及應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量突飛猛進(jìn)，與之配套的停車場(chǎng)規(guī)模越來越大?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧停車的概念也成為一個(gè)熱點(diǎn)。但如何實(shí)現(xiàn)智能定位快速找車的功能，成為是否真正體現(xiàn)智慧停車的技術(shù)瓶頸。

國(guó)外最早運(yùn)用于室內(nèi)停車的技術(shù)是無(wú)線射頻技術(shù)（RFID），RFID進(jìn)定位的準(zhǔn)確性取決于識(shí)別的角度，時(shí)間和信號(hào)的強(qiáng)度等。RFID在室內(nèi)定位的好處主要是能夠在各種室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行定位，但缺點(diǎn)在于精度不夠高，只有在有大量的樣本標(biāo)簽情況下才可以提高精度，這樣無(wú)疑極大的增加了工作難度和部署的成本。

國(guó)內(nèi)也在使用類似方法。如，采用Bluetooth作為地下停車場(chǎng)的定位技術(shù)。Bluetooth的優(yōu)勢(shì)在于組網(wǎng)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉、安全性好、受眾廣泛。通過停車場(chǎng)內(nèi)部署的多個(gè)Bluetooth的站點(diǎn)，人們可以通過手機(jī)建立與站點(diǎn)的連接，將車輛最近的Bluetooth站點(diǎn)作為分析車輛所在位置的依據(jù)。但Bluetooth的技術(shù)理論誤差高達(dá)10米以上。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)是另一個(gè)技術(shù)的方向。它需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度以及位置信息庫(kù)兩個(gè)維度結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行預(yù)測(cè)從而實(shí)現(xiàn)定位，同樣定位的精度不夠。

2 UWB技術(shù)分析

2.1 UWB定位原理

UWB技術(shù)顧名思義是超寬帶定位技術(shù)，UWB具有抗干擾能力強(qiáng)，定位精度高，部署簡(jiǎn)單，成本低廉，功耗極小，通信速率高等眾多出色之處。與Bluetooth技術(shù)相比，UWB的功耗大約只有Bluetooth的1/20，精度是Bluetooth的10倍以上，UWB的通信速率也要比Bluetooth高出不少。

UWB大致可分為以下幾種：（1）根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的差異來計(jì)算物體的距離，從而有效的判斷定位，即比較信號(hào)的發(fā)出方和信號(hào)的接收方的強(qiáng)度大小，通過算法計(jì)算出預(yù)測(cè)的距離大小，依據(jù)多個(gè)距離大小進(jìn)行判斷車輛的位置，此種方法易受到外部環(huán)境的影響，導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)不穩(wěn)定性。（2）根據(jù)信號(hào)的到達(dá)方向進(jìn)行定位，此種方法就是通過預(yù)測(cè)各信號(hào)發(fā)送的方向信息來進(jìn)行定位，即通過天線矩陣實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)送的方向進(jìn)行收集，然后通過算法預(yù)測(cè)出其車輛的位置，此種方法和上一種方法均是依靠信號(hào)來判斷，因此，受環(huán)境的程度很大。（3）根據(jù)接收信號(hào)的時(shí)間來進(jìn)行定位，此種方法主要是先對(duì)信號(hào)在各個(gè)站點(diǎn)所傳送的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后對(duì)其進(jìn)行距離的預(yù)測(cè)，將不同的多個(gè)預(yù)測(cè)值進(jìn)行分析，從而進(jìn)行車輛的定位。這種時(shí)間計(jì)算方法能夠受環(huán)境的影響較小，定位的精度比較準(zhǔn)確，可以更好的實(shí)現(xiàn)定位的效果。

2.2 UWB定位方法

UWB定位方法最為恰當(dāng)?shù)氖且罁?jù)信號(hào)的反饋時(shí)間進(jìn)行定位，根據(jù)信號(hào)反饋時(shí)間進(jìn)行定位也大致可以進(jìn)行分類，主要包括：根據(jù)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間來進(jìn)行定位和根據(jù)信號(hào)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差值進(jìn)行定位。

2.2.1 根據(jù)到達(dá)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)

（1）單向判定。單向判定就是指在同一時(shí)刻，站點(diǎn)的發(fā)送方將信號(hào)傳遞給站點(diǎn)的接收方，站點(diǎn)的接收方對(duì)此信號(hào)到達(dá)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)式（1）計(jì)算單項(xiàng)判定的時(shí)間，根據(jù)式（2）計(jì)算站點(diǎn)間的距離。

2.2.2 到達(dá)時(shí)間差值進(jìn)行預(yù)測(cè)

到達(dá)時(shí)間差值預(yù)測(cè)主要是通過信號(hào)在站點(diǎn)之間傳送的時(shí)間差異來判斷站點(diǎn)的距離，但前提需要所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的時(shí)間是保持一致，這在實(shí)施上有很大的難度，并不能保證時(shí)間發(fā)送一致的精準(zhǔn)性，而且其維護(hù)的成本也非常高，因此選取此方法作為定位的價(jià)值較小。

3 UWB車輛定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

室內(nèi)定位系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊的構(gòu)成：搭載UWB技術(shù)的移動(dòng)手機(jī)模塊;車輛移動(dòng)標(biāo)簽?zāi)K;UWB定位模塊;最后是服務(wù)器模塊。手機(jī)通過與服務(wù)器連接，發(fā)送對(duì)車輛位置的查找請(qǐng)求。根據(jù)手機(jī)提供的車輛信息，UWB定位模塊在停車場(chǎng)尋找相匹配的車輛標(biāo)簽。從而完成車輛位置查找。

3.1 本系統(tǒng)的測(cè)距定位的方法

首先，移動(dòng)標(biāo)簽被激活等待測(cè)距，UWB定位模塊中的信源節(jié)點(diǎn)測(cè)得與移動(dòng)標(biāo)簽之間的距離，然后參照附近一個(gè)信源節(jié)點(diǎn)為參照，計(jì)算相對(duì)距離就能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，本文選取的定位方法為雙向的到達(dá)時(shí)間預(yù)測(cè)法，以下對(duì)定位方法進(jìn)行具體進(jìn)行闡述。

本文系統(tǒng)UWB定位模塊主要包括：無(wú)線傳輸模塊、信源節(jié)點(diǎn)模塊以及計(jì)算處理模塊。測(cè)距流程如下：（1）確認(rèn)移動(dòng)標(biāo)簽處于激活狀態(tài)，信源節(jié)點(diǎn)向移動(dòng)標(biāo)簽傳送信號(hào)，標(biāo)記發(fā)送時(shí)間為te1;（2）移動(dòng)標(biāo)簽將信號(hào)接收時(shí)間記為tf1，然后向信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)回應(yīng)信息，此時(shí)時(shí)間記為tf2;（3）信源節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后，將接收時(shí)間記為te2。

由此，根據(jù)公式（3）可以計(jì)算出移動(dòng)標(biāo)簽的信號(hào)傳輸時(shí)間T。

各節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男盘?hào)為無(wú)線電信號(hào)，其傳播的速度與光速相近，可以根據(jù)公式（2）計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽和信源節(jié)點(diǎn)之間的距離D。

然后，信源節(jié)點(diǎn)就對(duì)移動(dòng)標(biāo)簽進(jìn)行定位，取周邊一個(gè)信源節(jié)點(diǎn)為參照，建立信源節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，記（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），移動(dòng)標(biāo)簽坐標(biāo)記為（a，b）通過移動(dòng)標(biāo)簽與信源節(jié)點(diǎn)的距離計(jì)算出移動(dòng)標(biāo)簽的坐標(biāo)。

根據(jù)公式（2）計(jì)算出移動(dòng)標(biāo)簽與信源節(jié)點(diǎn)距離后，代入公式（4）就可以計(jì)算出移動(dòng)標(biāo)簽的坐標(biāo)。

xn-a2+yn-b2-xn-1-a2+yn-1-b2=Dn-Dn-1（4）

3.2 各模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)主要分為四大模塊，移動(dòng)標(biāo)簽、信源節(jié)點(diǎn)、計(jì)算處理模塊和服務(wù)器模塊。

3.2.1 信源節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

移動(dòng)標(biāo)簽激活后，與服務(wù)器分配的地址連接，當(dāng)信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，就可以被移動(dòng)標(biāo)簽記錄，然后發(fā)送回應(yīng)消息和記錄時(shí)間;信源節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)發(fā)送測(cè)距信號(hào)到移動(dòng)標(biāo)簽，記錄時(shí)間，同時(shí)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞到服務(wù)器端進(jìn)行計(jì)算處理，得出移動(dòng)標(biāo)簽的坐標(biāo)。

信源節(jié)點(diǎn)的流程如下：（1）初始化時(shí)鐘，串口等資源，配置網(wǎng)絡(luò);（2）發(fā)送測(cè)距信號(hào)到移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，并記錄發(fā)送時(shí)間;（3）等待接收移動(dòng)標(biāo)簽的返回信息，并記錄到達(dá)時(shí)間;（4）信號(hào)傳送流程結(jié)束，信源節(jié)點(diǎn)將處理信號(hào)傳送至服務(wù)器端的處理模塊，流程結(jié)束。

移動(dòng)標(biāo)簽的流程如下：（1）初始化時(shí)鐘，串口等資源，配置網(wǎng)絡(luò);（2）等待接收信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的測(cè)距信號(hào)，記錄到達(dá)時(shí)間;（3）發(fā)送信號(hào)響應(yīng)信源節(jié)點(diǎn)，并記錄時(shí)間;（4）信號(hào)傳送流程結(jié)束，移動(dòng)標(biāo)簽將處理信號(hào)傳送至服務(wù)器處理模塊;（5）接收處理后的停車位坐標(biāo)，流程結(jié)束。

3.2.2 核心計(jì)算層設(shè)計(jì)

核心計(jì)算是本系統(tǒng)的核心，核心計(jì)算模塊接收來自移動(dòng)標(biāo)簽和新源節(jié)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間后，根據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析數(shù)據(jù)包，并對(duì)應(yīng)進(jìn)行標(biāo)號(hào)，并計(jì)算距離和移動(dòng)標(biāo)簽的坐標(biāo)，同時(shí)以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式傳送到手機(jī)端，從而服務(wù)大眾。

3.3 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

本文的服務(wù)器是手機(jī)端的瀏覽器通過http的get方法建立與服務(wù)器間的連接，和傳送請(qǐng)求數(shù)據(jù)，服務(wù)器收到信號(hào)后，向數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送建立連接請(qǐng)求，就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的結(jié)果展示，以實(shí)現(xiàn)交互的效果。服務(wù)器端設(shè)計(jì)如下圖所示。

4 系統(tǒng)的測(cè)試

4.1 測(cè)距精度驗(yàn)證

本文在室內(nèi)停車場(chǎng)設(shè)置本文的UWB定位模塊和一個(gè)移動(dòng)標(biāo)簽，在測(cè)試過程中移動(dòng)標(biāo)簽在不斷的進(jìn)行移動(dòng)，取兩者距離為2米、5米、8米、10米等位置，每個(gè)距離進(jìn)行一段時(shí)間的測(cè)試，分別求出80個(gè)距離的均值、誤差以及標(biāo)準(zhǔn)差。

4.2 定位精度驗(yàn)證

以一個(gè)信源節(jié)點(diǎn)作為原點(diǎn)，將其他信源幾點(diǎn)標(biāo)記坐標(biāo)系，取兩點(diǎn)坐標(biāo)系移動(dòng)標(biāo)簽點(diǎn)1，記（1，1.6），移動(dòng)標(biāo)簽點(diǎn)2，記（3，5.5），通過處理計(jì)算模塊最終計(jì)算出的兩節(jié)點(diǎn)位置分別為（0.937，1.511）、（3.068，5.383），兩節(jié)點(diǎn)實(shí)際誤差均在20cm內(nèi)，定位精度較高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文UWB精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在不斷總結(jié)各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和人們的調(diào)研需求基礎(chǔ)上，綜合考慮而形成的穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，能夠滿足人們?nèi)粘５耐＼嚨男枰?，不僅給人們的停車帶來快捷和便利，還為現(xiàn)階段無(wú)人停車場(chǎng)系統(tǒng)帶來新的技術(shù)應(yīng)用啟迪。下一步將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的誤差，引入新算法進(jìn)行改進(jìn)，以最大可能提高定位系統(tǒng)的實(shí)用性。

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作者簡(jiǎn)介：宋璐輝（1997— ），男，漢族，陜西咸陽(yáng)人，研究方向：軟件工程專業(yè);崔巖（1976— ），男，漢族，河北邯鄲人，高級(jí)工程師，研究方向：軟件工程、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用。