采用超宽带和远距离无线通信的定位系统设计

李正东 金钊 包信宗 王挺 李秀玲

摘  要 针对GPS、北斗等无线定位系统不能实现室内定位的问题，采用超宽带和远距离无线通信技术设计一种室内定位系统。系统采用双边双程测距法、到达时间内三角质心优化算法提高测距和定位精度，采用LoRa技术进行基站间的数据传输。测试分析表明：定位系统在室内环境下工作稳定性好，可实现室内精确定位功能。

关键词 超宽带；无线通信技术；定位系统

中图分类号：P228.4    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）14-0035-03

Abstract Aiming at the problem that GPS， Beidou and other wireless positioning systems cant achieve indoor positioning， an indoor po-sitioning system is designed by using ultra-wide band and long-distance wireless communication technology. The system uses the triangle centroid optimization algorithm in time of arrival to improve the ranging and positioning accuracy. LoRa technology is used for data transmission between base stations. The test and analysis shows that the positioning system has good stability in indoor environment， and can realize indoor precise positioning function.

Key words ultra-wide band; wireless communication technology; location system

0  引言

当前，GPS、GLONASS、北斗导航定位系统在室外环境中已经获得广泛运用，但由于建筑物对信号的遮挡，上述定位系统在室内环境不能实现定位功能。为了实现目标的室内定位功能，研究人员尝试用Wi-Fi、ZigBee、蓝牙[1]、超声波[2]、红外线等多种无线通信技术进行测试。测试结果表明：以上技术均不能实现cm级的精确室内定位需求。超宽带（Ultra-Wide Band，UWB）技术不同于传统的通信技术，它没有载波信号，主要通过纳秒级脉冲来完成数据的传输，时间分辨率较高，可极大提高定位精度。本研究主要利用超宽带技术进行室内定位系统的设计与研究。

1  系统架构

系统整体架构设计为四层结构：感知层、采集層、数据层、应用层。其中，感知层主要负责标签与基站之间UWB无线电的测距功能；采集层主要采用LoRa无线通信技术负责基站与数据集中器之间的信息交互；数据层利用TCP/IP网络实现与数据集中器的信息交互，并将数据存储于服务器中；应用层主要负责应用界面设计、定位算法实现、手机推送等功能。系统结构示意图如图1所示。

从硬件设计上，系统主要由标签、基站、集中器、定位服务器组成。标签置于待测目标上，基站安装在室内固定位置，标签和基站之间利用超宽带无线通信技术进行测距和定位；基站与集中器之间采用LoRa无线通信技术实现定位数据的无线传输；集中器与定位服务器之间采用TCP/IP网络通信协议进行数据交互。通常，在设定四个定位基站的情况下，覆盖范围可达1万平方米。

首先，标签先发送一个UWB无线信号，各定位基站截获此信号后获得信号接收时间，并计算得到各基站与标签之间的距离；其次，通过LoRa无线通信技术将距离信息传送至数据集中器，再由数据集中器通过以太网传输到定位服务器；最后，由定位服务器调用定位算法对标签进行精确定位。

2  测距算法

测距是超宽带定位的前提，主要通过测量两个器件之间信号的飞行时间（Time of Flight，TOF）计算距离。光速乘以数据飞行时间即可得到传输距离。但是在实际应用中，标签和基站之间的时钟不可能完全同步，而时钟的不同步会引起极大的测距误差。为规避时钟同步问题，系统采用双边双程测距（Double Sided–Two Way Ranging，DS-TWR）算法。DS-TWR测距算法采用两次通信模式，能够降低由时钟偏移导致的误差，从而在算法层面提高测距精度。DS-TWR测距数据流程如图2所示。

DS-TWR测距时间为：

使用DS-TWR测距方式时钟引入的误差：

其中，ka和kb分别为器件A、B时钟的实际频率和预期频率的比值。在DS-TWR测距算法中，响应时间是不需要相等的，便于MCU系统实现。因此，DS-TWR测距是兼具高精度且易实现的一种测距方式。

3  定位算法

到达时间法（Time of Arrive，TOA）的原理是通过测量不同基站接收同一个移动站定位信号的时间，从而计算出同一个移动站到不同基站的直线距离，然后通过画圆定位方法求得移动点的位置。

通过测算，基站Si（xi，yi）（i=1，2，…，N）到待测移动目标（x，y）的距离分别为di，建立以下方程组：

在平面中，TOA定位算法最少需要三个基站实现移动目标的定位。其原理是以基站为圆心，以测得的距离为半径画圆，理论情况下可画得三个圆，三个圆相交于一点即为移动目标的位置。为提高定位速度和精度，可用相关算法如最小二乘法、内三角质心算法来确定目标的实际位置。采用内三角质心算法[3]，TOA定位示意图如图3所示。

4  系统硬件设计

从硬件设计上，系统主要由标签、基站、集中器、定位服务器组成。系统的主控制芯片采用ST Microelectronic公司的STM32F105RC[4]微控制器芯片，工作频率为72 MHz，其内置一个高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，256 K字节闪存、64 K字节SRAM。STM32F105RC包含标准的通信接口，即I2C接口、SPI接口、I2S接口、USART接口、CAN接口、ADC接口等。UWB无线通信模块主要采用半导体公司DecaWave公司的DM1000[5]射频芯片。DW1000采用的是90 nm的CMOS工艺，数据传输支持110 kbps、850 kbps和6.8 Mbps的数据速率，可以工作在3.5～6.5 GHz的6个频段。LoRa无线通信模块采用Semtech公司的SX1276[6]射频芯片，LoRa是一种将扩频通信应用在低于1 GHz频率的无线通信技术。LoRa技术通过扩频通信技术提高接收灵敏度，通过高接收灵敏度实现远距离传输。由于传输距离增加，可以大幅减少中继器的使用，简化系统设计，从而大幅降低成本。

5  系统软件设计

系统采用的嵌入式开发软件为Keil uVision 5，编程语言使用的是C语言，嵌入式软件代码主要实现系统初始寄存器设置及测量标签到基站TOF，TOF与电磁波在真空中速度的乘积即为标签与基站之间的距离，由基站将距离信息通过LoRa无线通信模块传送到集中器，再由集中器传输给定位服务器，最后采用TOA内三角质心定位算法完成标签定位功能。上位机软件运行流程如图4所示。

6  实验与分析

选择一间12 m×15 m的矩形房间作为测试场地，房间内预先固定4个定位基站、3个标签。测试标签所得误差值结果如图5所示，此时测试误差最小值为13 cm，最大值为23 cm，平均误差18 cm。相对于Wi-Fi、蓝牙等无线通信方式的米级误差，室内通信系统相对误差减少为厘米级。由于干扰对室内的定位精度有较大影响，在设计时应尽量减少干扰的存在，房间里不放置遮挡物以减少NLOS（Non-Light of Sight）对测量精度的影响。

7  结束语

采用超宽带技术和远距离无线通信技术构建一套室内无线定位系统，采用DW1000 UWB通信芯片完成室内的精确定位功能，采用SX1276 LoRa通信芯片完成定位数据传输，解决定位基站布线复杂、成本较高的问题。系统采用DS-TWR测距算法及TOA内三角质心无线定位算法，并针对系统进行代码优化，最终完成室内定位功能。

参考文献

[1]Oksar I.A Bluetooth signal strength based in door localization method[J].International Conference on Systems，2014：251-254.

[2]Lindo A， Garcia E， Urena J， et al. Multiband Waveform Design for an Ultrasonic Indoor Positioning System[J].IEEE Sensors Journal，2015（12）：1.

[3]魏培，姜平，賀晶晶，等.基于内三角形质心算法的超宽带室内定位[J].计算机应用，2017（1）：289-293，298.

[4]SEMTECH．STM32F105xx datasheet[R/OL].（2020-10-24）[2020-12-01].www.semtech.com.

[5]DecaWave. DW1000 datasheet v2.11[R].Dublin，Ire-land： DecaWave，2016．

[6]SEMTECH. SX1276/77/78-137MHz to 1020 MHz Low Power Long Range Transceiver[R/OL].（2020-10-01）[2020-12-01].www.sem-tech.com.