孟祥寧 肖響

摘 要 利用stm32單片機(jī)開發(fā)了UWB定位系統(tǒng)的錨節(jié)點(diǎn)及標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)電源切換電路、DWM1000模塊、單片機(jī)處理電路和串口電路盡心了設(shè)計(jì)，并利用脈沖信號(hào)到達(dá)差算法實(shí)現(xiàn)了測(cè)距。通過在樓頂天臺(tái)實(shí)際測(cè)試，開發(fā)的模塊精度能夠?qū)崿F(xiàn)5cm且穩(wěn)定性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞 stm32單片機(jī)；UWB錨節(jié)點(diǎn)；電源電路；精度

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）217-0121-02

1 硬件設(shè)計(jì)

超寬帶技術(shù)以其可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位且具有抗多徑能力強(qiáng)、功耗低、帶寬寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，其不需要載波，只需通過脈沖發(fā)射計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽之間的距離即可獲得需要定位的節(jié)點(diǎn)的具體坐標(biāo)。基站作為布置在定位區(qū)域中的錨節(jié)點(diǎn)，不停的對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)通訊，實(shí)時(shí)獲取基站和標(biāo)簽之前的脈沖到達(dá)時(shí)間，通過TOA算法獲取二者之間距離。通過隔爆兼本安型電源供電，可以實(shí)現(xiàn)基站實(shí)時(shí)供電。在本項(xiàng)目中，同時(shí)還考慮到井下掉電情況，備選鋰電池供電?；居布蚣軋D如圖1所示。

當(dāng)隔爆兼本安店員電源持續(xù)供電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)斷開鋰電池供電，同時(shí)，對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)，自動(dòng)切換為鋰電池供電。從而給STM32單片機(jī)和DWM1000精確定位模塊供電。兩個(gè)模塊之間通過SPI接口連接，單片機(jī)可以對(duì)精確定位模塊進(jìn)行配置并通訊，并對(duì)硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，單片機(jī)應(yīng)用電路、精確定位模塊應(yīng)用電路如圖2、圖3所示。

定位標(biāo)簽通過廣播的形式向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送超寬帶定位信息，同時(shí)還包含一個(gè)2.4G的接收端用以接收上位機(jī)指令，其和錨節(jié)點(diǎn)間的硬件設(shè)計(jì)差別于串口電路和傳感器接口（由于后期可能將生理狀態(tài)兼容進(jìn)來）。傳感器接口是從單片機(jī)上接出IO口，這樣就可同PC上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。使用基站的PCB板子，焊接的時(shí)候?qū)⑥D(zhuǎn)串口的元件焊接，同時(shí)焊接傳感器接口，便能實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)功能。

2 算法設(shè)計(jì)

在對(duì)超寬帶芯片編程時(shí)，共有兩種算法，一種是基于飛行時(shí)間的，另一種是基于時(shí)間刀叉差的，兩種算法都是利用標(biāo)簽以廣播形式向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射信息的時(shí)間與脈沖在空氣中的傳播速度的乘機(jī)，通過該算法實(shí)現(xiàn)距離的獲取。

將信號(hào)飛行的時(shí)間和信號(hào)傳播的速度相乘，就可以得到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離。

具體計(jì)算過程如圖5，要定位的節(jié)點(diǎn)是B點(diǎn)，其在分別以P1、P2、P3為圓心以3個(gè)點(diǎn)到B點(diǎn)的距離為半徑的圓上，半徑即為接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的到達(dá)距離，通過3個(gè)方程解方程組，可以計(jì)算出B點(diǎn)的具體坐標(biāo)。

無論是TOA還是TDOA算法得到的方程組在通常情況下都是非線性的，極值點(diǎn)較難確定，因此有較多學(xué)者提出復(fù)雜性算法，如Chan、泰勒展開法等，但是這種算法適用于理想高斯噪聲的情況下，當(dāng)存在測(cè)量誤差/非視距誤差的情況時(shí)，定位精度較差，由于卡爾曼濾波器的擬合特性和對(duì)非視距誤差的抑制，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位跟蹤，解決了非視距誤差對(duì)定位精度影響極大的問題，鑒于篇幅有限，不做討論。

TOA算法計(jì)算出來的定位信息通過錨節(jié)點(diǎn)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)主要包括一下幾個(gè)模塊。

1）系統(tǒng)配置模塊。包括標(biāo)簽的ID號(hào)，時(shí)間到達(dá)間隔，錨節(jié)點(diǎn)具體坐標(biāo)等。

2）TOA算法信息顯示模塊。主要包括TOA計(jì)算公式源代碼，調(diào)用了List View模塊控件，通過查閱DW1000芯片手冊(cè)可以獲取源代碼。

3）軌跡顯示模塊。模塊主要功能是對(duì)標(biāo)簽實(shí)時(shí)定位結(jié)果通過軌跡的方式顯示出來，通過在上位機(jī)定義啟動(dòng)按鈕，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的位置定位，通過“更新”按鈕，刷新定位信息，通過繪圖模塊的開發(fā)，可以實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)上。

3 定位精度測(cè)試

為了測(cè)試方便，利用鋰電池對(duì)基站板子進(jìn)行供電如下將3個(gè)基站節(jié)點(diǎn)和1個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)上標(biāo)記A1，A2， A3和T1的標(biāo)識(shí)。

第一步先將硬件設(shè)備安裝調(diào)試好，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)IP地址，使得電腦可以跟中繼之間通信。點(diǎn)擊設(shè)置好的啟動(dòng)按鈕，載入配置源文件，上位機(jī)即可得到定位信息并通過上位機(jī)顯示標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)軌跡。

圖6所示為上位機(jī)界面截取的圖片。

從測(cè)試結(jié)果看，測(cè)量精度越來越小，這是因?yàn)槊恳淮螠y(cè)量結(jié)果都是根據(jù)前幾次的平均值得到的，從表中可以看到，第八次后，誤差穩(wěn)定到了5cm。

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