室內(nèi)環(huán)境下基于UWB定位系統(tǒng)的智能標(biāo)簽應(yīng)用研究

潘佳寧　曹會(huì)國

關(guān)鍵詞：UWB；室內(nèi)定位；無線電通信；云平臺(tái)位置服務(wù)；社會(huì)服務(wù)

中圖法分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

近年來，隨著導(dǎo)航定位應(yīng)用和無線電通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于位置精準(zhǔn)度的服務(wù)逐漸成為大眾用戶的迫切需求和眾多專家以及企業(yè)的研究熱點(diǎn)。特別是在情景感知、醫(yī)療器械、科學(xué)研發(fā)、商業(yè)服務(wù)、休閑娛樂等領(lǐng)域，基于位置精準(zhǔn)度的服務(wù)應(yīng)用更加廣泛。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）是室外環(huán)境下最常用的導(dǎo)航定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)米級定位，但是人們有近70%～90%的時(shí)間是在室內(nèi)區(qū)域活動(dòng)，GNSS衛(wèi)星信號(hào)由于受到地面建筑物墻體阻礙，難以獲得精準(zhǔn)的定位數(shù)據(jù)，逐漸出現(xiàn)了許多室內(nèi)定位技術(shù)。其中，超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)屬于基于無線電的室內(nèi)定位技術(shù)，作為一項(xiàng)新型無線交匯定位技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、測距精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以通過測量載波信號(hào)在定位標(biāo)簽與定位基站之間的傳輸時(shí)間、角度、信號(hào)強(qiáng)度等方式實(shí)現(xiàn)厘米級室內(nèi)定位精度，填補(bǔ)了高精度定位范疇的空白。

2室內(nèi)UWB定位總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能標(biāo)簽定位系統(tǒng)主要包括UWB定位模塊和信息交互模塊，供電模塊采用鋰離子電池，支持4pin的磁吸充電，外部由ABS工程塑料構(gòu)成的框架組成。定位模塊包括官方DWM1000定位模塊和輔助聲光定位模塊，在查找功能進(jìn)行時(shí)，加以聲、光信號(hào)的協(xié)同定位，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)”的精準(zhǔn)定位；信息交互模塊實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的交互：上位機(jī)定位模式分為A類二維定位方式和B類三維定位方式。

根據(jù)定位標(biāo)簽坐標(biāo)和基站坐標(biāo)所得方程組，結(jié)合最小二乘法理論，得出本系統(tǒng)所用的2套方案，二維平面定位至少需要3個(gè)固定基站，三維定位至少需要4個(gè)固定基站，故基站分布情況也對定位精度有重要影響。分別利用最小二乘法仿真定位算法可得，基站分散分布時(shí)的定位效果明顯好于基站位于同一水平線分布時(shí)的效果，如圖1、圖2所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1智能標(biāo)簽定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

此定位標(biāo)簽旨在應(yīng)用于人流密集或物品集中擺放的場景中，而此場景中每個(gè)物品所占用空間有限，因此，定位裝置的體積必須小巧，不搶占存放空間。故智能標(biāo)簽體積為8 cm（長）×2 cm（寬）×0.8 cm（厚），輕便小巧，可以方便地固定于物品存放的具體位置（如試劑柜內(nèi)部上方或者冰箱內(nèi)部）。

3.2硬件通信設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)和實(shí)施整個(gè)項(xiàng)目時(shí)，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置不僅與距離信息有關(guān)，還與每個(gè)基站的固定坐標(biāo)有關(guān)。由于基站的位置不是固定的，可以根據(jù)實(shí)際場景將其布置在任何位置，因此，基站1節(jié)點(diǎn)無法預(yù)先知道其他基站節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，也無法根據(jù)接收到的距離信息計(jì)算標(biāo)簽位置。針對此問題，本系統(tǒng)硬件要求將基站0通過串口接主控STM32F103C8T6，主控板接藍(lán)牙模塊?；镜?節(jié)點(diǎn)通過串行接口連接到PC。UWB模塊可以通過DWM1000測得各個(gè)基站與標(biāo)簽的距離，并將距離信息匯總傳輸給基站0，基站0將最終的距離信息傳送至移動(dòng)云端。其中，藍(lán)牙信息交互模塊是基站與移動(dòng)云端進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾K。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在云端，基站將接收到的距離信息進(jìn)行處理，推算出距離，云端可上傳模型信息，位置和行列信息都可以在模型中顯示，在搜索框中輸入要找的物品或?qū)?yīng)的標(biāo)簽ID，標(biāo)簽也將做出相應(yīng)回答。移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)是由藍(lán)牙傳輸?shù)?，?shù)據(jù)處理是由主控板完成的，藍(lán)牙將位置信息和行列信息顯示在移動(dòng)終端。

構(gòu)成智能標(biāo)簽系統(tǒng)的云平臺(tái)的顯示端使用微信小程序，這是用戶鏈接服務(wù)的新方式。其無需下載和安裝應(yīng)用程序，就可以獲得所需的服務(wù)，并擁有出色的用戶體驗(yàn)。二維碼技術(shù)可以滿足用戶日益增長的信息需求。標(biāo)簽持有者只需將二維碼綁定到要定位的人（物品）并輸入其信息或特征，即可通過標(biāo)簽實(shí)時(shí)檢索位置信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)查找功能。目前，LBS云平臺(tái)（基于位置的服務(wù)）和其他平臺(tái)被廣泛用于信息定位，并取得了一些良好的研究成果。

4.2定位算法

UWB定位不需要使用傳統(tǒng)定位方式中傳輸信息的載波，如超聲波、激光等，而是利用電子標(biāo)簽設(shè)備發(fā)送具有納秒或納秒級以下的非正弦窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，定位基站接收，再通過計(jì)算時(shí)間差來定位。

UWB本身的算法改進(jìn)也被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位，由于定位計(jì)算過程中有一定的誤差，通常推薦標(biāo)簽活動(dòng)范圍盡量在某一平面范圍內(nèi)，且室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，在UWB定位過程中存在大量干擾及NLOS情況。針對測量精度和人類移動(dòng)自適應(yīng)定位問題，本項(xiàng)目采用UWB和PDR室內(nèi)定位算法融合定位。

首先采用4個(gè)或以上基站的測距結(jié)果構(gòu)建虛擬場景定位，分別給標(biāo)簽和基站燒錄初始定位程序，將BPhero-UWB模塊通過StlinkV2與PC相連，放置好基站，本文引入卡爾曼濾波器協(xié)助判斷NLOS場景。當(dāng)濾波進(jìn)程中沒有監(jiān)測到進(jìn)入NLOS場景，卡爾曼濾波會(huì)正常迭代；若進(jìn)入NLOS場景，則構(gòu)建定位解算方程組，選取在非視距情況下定位誤差敏感的CHAN方法進(jìn)行解算，PDR定位不受NLOS影響，因此可以使用PDR定位來支持NLOS場景的UWB定位。該融合定位算法有效地降低了NLOS情況下UWB的定位誤差，將平均定位誤差降低到0.137.比單一UWB定位精度高約68%，對建筑工地、倉庫等大型室內(nèi)區(qū)域的長期高精度定位具有一定的參考價(jià)值。

通過將本文系統(tǒng)的定位精度與文獻(xiàn)系統(tǒng)在微信小程序二維碼范圍內(nèi)的定位精度進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的定位精度。為了使實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確，將系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為10 min。在相同條件下，將本文系統(tǒng)的定位精度與文獻(xiàn)中的系統(tǒng)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

4.3室內(nèi)定位系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

信息交互是在云端和系統(tǒng)板上進(jìn)行的，三維定位的信息交互系統(tǒng)是應(yīng)用QT軟件，以及MATALB語言進(jìn)行編寫的小程序，通過軟件藍(lán)牙調(diào)試器直接進(jìn)行通信；二維定位則是在云端進(jìn)行標(biāo)簽的查詢時(shí)，在云端、手機(jī)端輸入標(biāo)簽的名稱或者標(biāo)簽的ID，對應(yīng)標(biāo)簽的LED燈會(huì)閃爍，蜂鳴器響。基站0將最終基站信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)云端，在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并將具體的位置信息顯示在云端對應(yīng)的3D模型中，以便客戶更為直觀的了解。在云端，用戶也可以進(jìn)行標(biāo)簽位置以及運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)查詢，用戶可以將應(yīng)用場景進(jìn)行模型化，在云端建立應(yīng)用場景的3D模型，云端根據(jù)應(yīng)用場景的模型數(shù)據(jù)，對位置信息進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以追求更為精準(zhǔn)的位置信息，滿足用戶需求。

小程序界面由以下部分組成：（1）定位界面；（2）地圖設(shè)置，可設(shè)置縮放比例原點(diǎn)坐標(biāo)等內(nèi)容；（3）串口設(shè)置；（4）設(shè)備連接界面，小程序根據(jù)需定位物信息生成專屬二維碼，掃描即可綁定關(guān)系；（5）設(shè)備參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊配置載人即可將界面上的配置寫入設(shè)備中；（6）用戶查找界面，輸入點(diǎn)擊開始定位和停止定位按鈕可控制定位的進(jìn)行與取消；（7）標(biāo)簽設(shè)置，初設(shè)置和修改標(biāo)簽的綁定信息與標(biāo)定標(biāo)簽的位置。

5結(jié)束語

本文提出的基于UWB的智能標(biāo)簽系統(tǒng)解決了室內(nèi)精準(zhǔn)定位與精準(zhǔn)找物所需要大量耗時(shí)和效率低下問題，下位機(jī)通過無線通信將數(shù)據(jù)傳送到Web服務(wù)器及各個(gè)基站，便于終端訪問數(shù)據(jù)，利用云平臺(tái)將數(shù)據(jù)反饋到終端顯示器和移動(dòng)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)了高精度的定位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)定位尋物所需時(shí)間約為傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的二分之一，定位精度始終在98.5%以上，具有顯著的優(yōu)勢。

作者簡介：

潘佳寧（2001—），研究方向：通信工程。

曹會(huì)國（1970—），副教授，研究方向：電子檢測與控制技術(shù)。