基于UWB技术的室内外一体定位系统设计*

邓 凯，任志敏

(常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164)

0 引言

随着新一代物联网技术，云计算技术，区块链技术的发展与成熟，不断改变着人们原有的生活方式，有些变化甚至是革命性的。比如定位技术，人们可以依靠一部带有导航软件的手机去往任何目的地，这在过去是无法想象的。众所周知，现有的导航软件主要依靠基于卫星的定位系统(比如：GPS，北斗)，主要用于户外，但是由于建筑物屏蔽造成卫星信号的衰减，在室内几乎接收不到卫星信号，因此，造成室内导航的盲点。但是，室内导航的需求量又非常巨大，比如工厂的人员定位，贵重资产的物资定位，搬运AVG机器人的防碰撞设计，商场店铺、医院科室等导航需求。因此，设计一个室内室外一体的定位系统有着迫切的现实需求。

1 方案设计

室外导航技术、产品相对成熟，可以采用GPS/北斗导航系统。但室内导航仍旧处于百花齐放的阶段，目前可用的室内定位技术有：Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带(UWB)、RFID、ZigBee和超声波，从技术路线、成本、定位精度等方面考虑，各有利弊，其中基于802.15.4协议的UWB的定位精度最高，可达10cm，功耗也较低，因此本课题使用UWB技术实现室内三维定位。

室外定位通过GPS/北斗模组获取经度纬度坐标信息，室内定位通过UWB获取x,y,z三维坐标。对于定位系统来说，获取坐标信息是最为关键的第一步，第二步是如何处理和呈现数据，考虑到定位的不同需求，本课题以工厂人员定位的需求作为研究对象。一是工厂人员的活动场所可能是室外或室内；二是人员会流动，可能在办公楼的一层，也可能在其他楼层；三是作为工厂管理方，希望能够在办公室或出差期间均能看到员工上班期间的定位信息。

基于以上需求，本课题采集室外经纬度坐标、室内UWB定位坐标，系统电池余量值，以及员工ID等数据，通过GPRS模组/NB-IoT模组把这些数据送到云端，工厂从云端获得这些数据，既可以在PC端显示，也可以在手机等移动设备端显示。总体设计框图如图1所示。

图1 总体设计框图

在本课题的方案中，获取室外经纬度坐标相对简单，重点在于如何通过UWB获取室内定位的x,y,z坐标。通过研究发现，本课题选用Decawave公司生产的DWM1001模组组成网络实现室内定位。DWM1001模组室内定位整体设计框架如图2所示。

图2 室内定位整体设计图

DWM1001模组是由Decawave公司生产的基于UWB技术的定位模组，在定位系统中其可以充当多种角色，包括基站、标签、网关等，因此可以很方便地利用DWM1001模组组成DRTLS(Two-Way-Ranging Real Time Location System)网络。在如图2所示的网络中，基站的位置是固定的，并设定对应的坐标，如图3所示，图3展示了4个基站和1个标签的定位结构。

图3 4基站+1标签的定位结构

基站1、2、3、4组成了一个小区域定位网络，4个基站可以实现x,y,z三维定位。两个基站之间的最长距离可以达60米，若配置定位刷新频率为1秒/次，4个基站内最多可以容纳150个标签[1]，显然刷新频率越低，可以容纳的标签越多，对于人员定位而言，刷新频率可以降为5秒/次，因此可以容纳750个标签，在4个基站组成的360 m2的区域内，可同时容纳750个员工显然大大超过了实际情况。每个基站的坐标x,y,z是固定设置的，为了保证定位精度，最好每个基站处于同一高度平面上，即z坐标相同。标签在基站区域内移动，每隔5秒，标签相对于基站的坐标即会输出。

2 硬件系统设计

基于总体设计框图，定位坐标、电量、员工ID需要采集并上传至云端，因此需要设计GPS模组，GPRS/NB-IoT模组和微控制器系统，以及设计DWM1001模组与微控制器系统的连接。

2.1 GPS模组硬件设计

选择S1216F8-BD作为经纬度定位模组。S1216F8-BD是一个性价比极高的全球定位接收贴片封装模组，其基于Skytraq Venus 8定位技术，定位精度达2.5m CEP accuracy，可以作为GPS/Beidou卫星信号的接收器。该模组内部集成滤波器和高性能LNA，与主动和被动天线一起工作，标准的NMEA-0183定位数据通过UART串行接口输出，便于用户上手[2]。

2.2 NB-IoT模组电路设计

目前市场上主流的NB-IoT芯片主要有三家，分别是紫光展锐的春藤8908，华为海思的Boudica系列和联发科的MT2625。

N256是一款基于MT2625平台的多功能无线模块。该模块可支持3GPP/R13/R14的NB-IoT标准，工作的频段为: B1、B3、B5和B8四个频段。作为一款用于嵌入式系统的通信模组，N256模块17.6×15.7×2.3mm的尺寸可以很好满足工程应用中对空间尺寸的要求。满足M2M(machine to machine)的需求，包括可穿戴服务、安全系统、无线POS机、工业级PDA、智能电表、无线遥控等。N256模块一共引出MT2625的42脚作为其物理接口，提供了用户可能用到的所有硬件接口，包括一个UART固件下载接口，一个全功能串口和一个三线串口[3]。

2.3 微控制器系统电路设计

基于设计需求，控制板有待完成的任务包括：采集室内室外定位坐标、与NB-IoT模块通信、采集电池余量等。

本课题选择STM32F103RCT6作为核心控制器。STM32F103RCT6是ST意法半导体公司生产的基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，工作最高主频可达72 MHz；48Kx8大小的运行内存；256Kx8大小的FLASH程序存储器；集成了CAN、I2C、IrDA、SPI、UART/USART、USB等丰富的通信的接口；提供了多个基本定时器、通用定时器和高级定时器等多样定时器资源；芯片内部集成多路ADC、DAC、SDIO和GPIO资源；芯片采用64-LQFP封装[4]。

UART1用于与NB-IoT模块的数据收发接口，UART2用于与GPS模块的数据收发接口，UART3用于与DWM1001模组的数据收发接口。ADC1用于采集电池余量接口。

3 软件系统设计

3.1 GPS经纬度数据采集程序

GPS定位模组S1216与STM32F103RCT6通信接口采用UART的方式，本课题采用115200 bps，S1216输出的定位数据符合＄GNRMC(Recommended Minimum Specific GPS/Transit Data)推荐定位信息协议。根据＄GNRMC协议，编程解析获取各种数据信息，程序流程如图4所示。

图4 解析＄GNRMC协议流程图

3.2 DWM1001模组室内定位数据采集程序

根据DWM1001的技术文档，DWM1001模组可以通过SPI，UART等接口与上位机进行数据传输，数据传输采用TLV(Type-Length-Value)协议传输。本课题使用STM32F103RCT6的UART接口与DWM1001进行数据传输。本课题只要获取DWM1001输出的x,y,z坐标，根据TLV协议，STM32F103RCT6端发送命令0x02,0x00即可，DWM1001返回的数据见表1。

表1 DWM1001返回定位数据

首先判断错误代码，若是0x00，表示正确，然后采集对应的x,y,z坐标即可。

3.3 微控制器系统程序设计

获取定位数据后，需要把数据发送到云端，本课题选择机智云作为云端平台。按照机智云平台的要求，首先需要待上传的数据点，其次编写程序把数据发送到机智云。STM32F103RCT6与NB-IoT在软件上通过AT指令通信。程序总的流程如图5所示。

数据发送到机智云在TIM3定时中断实现，每隔5秒发送一次数据。衡量一个监控系统是否优劣的评判标准主要有两条：一是采集数据的准确性，二是传输数据的稳定性、可靠性。为了最优化实现评判标准二，本课题在软件部分设计了以下措施：

1) 每次发送数据后，判断应答反馈是否准确，一旦未接收到期望数据，立刻软件复位，系统重启。

2) 在应答反馈准确的前提下，再次判断应答反馈是否有错误信息，一旦有错误信息，同样复位，系统重启。

图5 STM32F103RCT6总体程序流程图

3) 每30分钟检查一次是否仍旧在线，若离线，则重启系统。

4) 每12小时主动离线，重启系统。

5) 使用独立看门狗保证程序不跑飞。

6) 初始化时，复位NB-IoT，登录机智云时连续三次不成功则复位系统。

4 结论

为了测试和展示采集数据，本课题借助机智云平台提供的Android应用开发SDK包[5]，设计Android应用程序，实时获取机智云平台的室内外坐标数据，显示到用户手机端。