0 引言

    伴随着现代社会通信技术的快速发展，无线传感网络技术的革新，空间定位技术已经进入了全新的领域。GPS、伽利略、北斗导航系统等已满足人们对室外定位的社会需求。相比之下，在一定室内环境下基于位置的服务相对匮乏，而此也越发的受到社会各界的关注。比如在隧道、仓库、大型写字楼、医疗设备等环境下都需要精确的位置信息，以此来对物品或者人员等实现安全可靠、系统全面的管理。

    目前，无线传感器网络技术发展迅速，室内环境下的位置服务技术成为新的研究热点。超宽带是一种短距离无线通信技术，具有高传输速率、高的时间和空间分辨率、低功耗、保密性好以及低成本等特点^[1]。本文基于超宽带技术并结合嵌入式系统设计了一款室内移动目标定位系统，可实现对移动目标的准确定位和轨迹跟踪。

1 超宽带技术及优化TDOA定位算法

1.1 超宽带技术

    超宽带技术是脉冲极其窄小的无线通信技术，该技术在通信时发射的脉冲通常是脉冲宽度小于1 ns的高斯脉冲信号。超宽带技术无需载频，它可以直接利用发射的窄脉冲来激励天线、辐射电磁波^[2-3]。

    超宽带通信是一种包含低频率的长波，在非视距的复杂环境下更能显示其优势，并且超宽带信号可以在基带中传播。其收发信机结构如图1所示。

    从图1中可见超宽带信号在传输过程中无需载波混频器与振荡器的参与，信号的接收端也无需载波的恢复。这极大地简化了收发信机结构，提升了收发信效率。

1.2 优化TDOA定位算法

    在对移动目标的定位过程中采用TDOA定位算法，即通过标签发出信号的时间与基站接收到该信号的时间差来计算得到标签与相应基站的距离，从而确定标签的位置^[4-5]。本系统在此基础上对其进行了优化，提高了定位的精准度。

    优化的TDOA算法网络节点图如图2所示，Anchor1、Anchor2、Anchor3、Anchor4分别为4个基站节点，Tag1为移动标签节点即被定位的目标物体。R₁、R₂、R₃、R₄分别表示移动标签节点到4个基站节点之间的距离，r₂、r₃、r₄分别表示基站节点2、3、4到基站节点1的距离。

    系统运行时，基站1发送一个信号到整个系统网络，其余基站接收到该信号并立即反馈给Tag1，Tag1接收到各基站的信号后，存下相应基站信号的到达时间，并计算各基站与标签的时间差。整个过程相当于基站1的信号经过不同路径到达Tag1，解决了各基站时钟同步问题。其通用表达式为：

2 系统硬件设计

    系统硬件由通信基站和移动标签组成，通信基站和移动标签的硬件结构基本相同，以下将两者统称为定位模块。定位模块以STM32F105R8T6作为主控芯片，搭载有DWM1000通信模块、脉冲信号发生器、Micro USB通信接口、模式切换开关及电源模块。其整体结构图如图3所示。

    DWM1000工作时可以选择接收和发送两种模式状态，可通过控制相关寄存器来控制工作状态模式的切换。微处理器通过SPI对DWM1000无线收发芯片进行读写，完成通信设备之间的信息交换^[6]，其原理图如图4所示。

    Micro USB是USB 2.0标准的一个小型便携式版本，Micro USB接口为五角接口，引脚数量极大地节省了控制器的引脚使用，同时该接口还支持OTG功能。其原理图如图5所示。

    为了使基站和移动标签功能能够集成在同一模块上，方便使用，特设计了人性化的标签/基站功能可以随意切换的拨码开关，同时可以根据二进制位数设置基站和标签的号码以区分，集成于定位模块上。

    结合通信和供电接口的一体化设计，定位模块的电源电路也进一步考虑系统的稳定性等因素，选用TPS7333低压差稳压器作为电源电路的核心器件。系统电源电路设计电路原理图如6所示。

3 系统软件设计

    在设计过程中，将系统软件分为了下位机与上位机两个部分分别进行了设计。

3.1 下位机软件设计

    下位机软件开发环境采用CoIDE软件，该软件是由CooCox公司开发的ARM Cortex-MCU嵌入式集成开发环境。下位机软件工作流程如图7所示。

    下位机软件的处理主要包括STM32处理器的复位、系统时钟配置、定时器配置模块、SPI和UART通信方式的读写、中断处理等，还有通过微处理器的SPI初始化无线收发模块DWM1000，在必要时需要配置芯片内部寄存器，使其工作在实验需求的模式。当DWM1000模块收到其他基站或者标签发送的信息数据时，则会通过SPI方式向处理器发送中断请求，接下来主程序中的中断执行程序即刻去判断此刻中断的类型以及接收信息数据的源地址，最终将处理后的测量数据信息封装并发送给上位机进行实时监控定位。

3.2 上位机软件设计

    上位机软件开发采用Qt（跨平台的C++图形用户界面）编写。上位机软件的设计流程主要包括主线程、改进TDOA算法的计算线程、数据包接收和发送线程、数据包处理线程等主要环节。上位机软件工作流程如图8所示。

    上位机软件运行时通过串口接收下位机发送的数据包并对其进行解析处理，得到位置的原始数据；然后调用封装的优化TDOA定位算法函数，得到具体的位置信息；最后通过图形显示界面实时显示定位目标。定位信息数据包格式如图9所示，其各参数定义如表1所示。

    上位机图形显示界面如图10所示，图中0、1、2、3分别表示不同基站的参考点，左侧基站信息列表中X、Y、Z分别表示各个基站相对基站0的实际距离，右侧为标签信息列表，可以显示出某一个或多个标签到各个基站的实际距离。

4 系统测试

    在实际室内环境中，将4个定位模块的基站安装在相应的四角位置，具体为在同比例实际室内环境图中将基站0 安装在右下角，按逆时针方向确定其余3个基站。将同比例实际室内环境图导入上位机软件，写入各基站坐标，其中基站0为坐标原点，按实际距离确定其余基站坐标并填入上位机软件相应位置。

    将定位模块的标签安装在一个可以移动的智能车上，用于模拟携带标签的移动目标。当智能车在该实验场地中运动时，通过上位机的显示界面可观察到代表智能车的标签点的实时位置及相应的运动轨迹，实验效果如图11、图12所示。在实验过程中，系统整体工作稳定，定位的误差在10 cm以内。

5 结论

    本文基于超宽带技术设计了一个室内移动目标定位系统，该系统硬件采用集成式设计，体积小，易携带；相应设计了一款上位机软件，可实时显示目标当前位置及移动轨迹信息。系统中定位基站与定位标签有各自的唯一标识，不会造成目标混乱，提高了对移动目标定位的准确性及稳定性，实现了对室内移动目标的定位和运动轨迹的观测。

参考文献

[1] 李传真.浅谈超宽带无线通信技术的发展[J].数字技术与应用，2017(8)：21-22.

[2] SHI G，MING Y.Survey of indoor positioning systems based on ultra-wideband(UWB) technology[C].Proceedings of WCNA 2016，2016：20-59.

[3] 房秉毅.基于超宽带技术的室内定位系统[J].电子技术应用，2006，32(7)：124-127.

[4] 张桀，沈重.联合TDOA改进算法和卡尔曼滤波的UWB室内定位研究[J].现代电子技术，2016，39(13)：1-5.

[5] 杨凡凡.基于UWB的无线定位算法的研究与实现[D].沈阳：东北大学，2014.

[6] 曹祥红，张华.基于UWB的地下停车场车辆定位系统设计与实现[J].现代电子技术，2017，40(9)：136-140.

作者信息:

徐  军，李群群，王曰辉，马  静

(哈尔滨理工大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨150080）