基于stm32单片机的超宽带定位节点开发

2018-08-29孟祥宁肖响

科技传播 2018年16期

孟祥宁肖响

摘要利用stm32单片机开发了UWB定位系统的锚节点及标签节点，同时对电源切换电路、DWM1000模块、单片机处理电路和串口电路尽心了设计，并利用脉冲信号到达差算法实现了测距。通过在楼顶天台实际测试，开发的模块精度能够实现5cm且稳定性较强。

关键词 stm32单片机；UWB锚节点；电源电路；精度

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）217-0121-02

1 硬件设计

超宽带技术以其可以实现厘米级定位且具有抗多径能力强、功耗低、带宽宽等诸多优点，在各行业得到了广泛的应用，其不需要载波，只需通过脉冲发射计算锚节点与标签之间的距离即可获得需要定位的节点的具体坐标。基站作为布置在定位区域中的锚节点，不停的对区域内的所有标签节点通讯，实时获取基站和标签之前的脉冲到达时间，通过TOA算法获取二者之间距离。通过隔爆兼本安型电源供电，可以实现基站实时供电。在本项目中，同时还考虑到井下掉电情况，备选锂电池供电。基站硬件框架图如图1所示。

当隔爆兼本安店员电源持续供电时，系统自动断开锂电池供电，同时，对锂电池进行充电，当掉电时，自动切换为锂电池供电。从而给STM32单片机和DWM1000精确定位模块供电。两个模块之间通过SPI接口连接，单片机可以对精确定位模块进行配置并通讯，并对硬件进行了设计，单片机应用电路、精确定位模块应用电路如图2、图3所示。

定位标签通过广播的形式向锚节点发送超宽带定位信息，同时还包含一个2.4G的接收端用以接收上位机指令，其和锚节点间的硬件设计差别于串口电路和传感器接口（由于后期可能将生理状态兼容进来）。传感器接口是从单片机上接出IO口，这样就可同PC上位机进行实时数据传输。使用基站的PCB板子，焊接的时候将转串口的元件焊接，同时焊接传感器接口，便能实现标签节点功能。

2 算法设计

在对超宽带芯片编程时，共有两种算法，一种是基于飞行时间的，另一种是基于时间刀叉差的，两种算法都是利用标签以广播形式向锚节点发射信息的时间与脉冲在空气中的传播速度的乘机，通过该算法实现距离的获取。

将信号飞行的时间和信号传播的速度相乘，就可以得到发射机和接收机之间的距离。

具體计算过程如图5，要定位的节点是B点，其在分别以P1、P2、P3为圆心以3个点到B点的距离为半径的圆上，半径即为接收机与发射机的到达距离，通过3个方程解方程组，可以计算出B点的具体坐标。

无论是TOA还是TDOA算法得到的方程组在通常情况下都是非线性的，极值点较难确定，因此有较多学者提出复杂性算法，如Chan、泰勒展开法等，但是这种算法适用于理想高斯噪声的情况下，当存在测量误差/非视距误差的情况时，定位精度较差，由于卡尔曼滤波器的拟合特性和对非视距误差的抑制，实现节点的定位跟踪，解决了非视距误差对定位精度影响极大的问题，鉴于篇幅有限，不做讨论。

TOA算法计算出来的定位信息通过锚节点上传给上位机，上位机主要包括一下几个模块。

1）系统配置模块。包括标签的ID号，时间到达间隔，锚节点具体坐标等。

2）TOA算法信息显示模块。主要包括TOA计算公式源代码，调用了List View模块控件，通过查阅DW1000芯片手册可以获取源代码。

3）轨迹显示模块。模块主要功能是对标签实时定位结果通过轨迹的方式显示出来，通过在上位机定义启动按钮，实现标签的位置定位，通过“更新”按钮，刷新定位信息，通过绘图模块的开发，可以实时显示在上位机上。

3 定位精度测试

为了测试方便，利用锂电池对基站板子进行供电如下将3个基站节点和1个标签节点上标记A1，A2， A3和T1的标识。

第一步先将硬件设备安装调试好，设置网络IP地址，使得电脑可以跟中继之间通信。点击设置好的启动按钮，载入配置源文件，上位机即可得到定位信息并通过上位机显示标签节点的实时轨迹。

图6所示为上位机界面截取的图片。