基于超宽带的室内测距系统

冯 烁 李吉源 马 跃 王里康

（中国矿业大学徐海学院，江苏 徐州 221000）

0 引言

超宽带技术在我们的生活中的应用得越来越广泛，该文主要从3 个方面对超宽带技术进行分析，分别为硬件组成、软件算法以及概括总结。笔者采用最基本的设计方法，并对设计作品进行了数据处理。笔者对该系统进行了简单的数据处理并得出结论，发现其有高精度的运行准确率。

1 系统结构总体框图

超宽带测距系统是在其定位系统的基础上实现的，超宽带定位系统主要由标签、基站、终端3 个部分组成。其定位系统组成如图1 所示。

图1 超宽带定位系统组成

2 系统硬件及基本性能

超宽带在短距离信号传输上有着效率高、保真率好的特点，对于短距离的无线文件传输，超宽带发挥了其基本优势。超宽带进行高精度测距是基于其信号的非正弦波窄脉冲宽度在亚纳米级，可进行亚厘米级的定位和测距，在各个领域的测距中具有较大优势。超宽带具有较强的穿透能力，在应用中其能与其频带内的窄脉冲宽带系统WLAN、GPS 等共存。

2.1 移动标签

超宽带的移动标签主要是由主控模块、射频模块、电源管理模块构成，其主控模块的芯片是由STC32 单片机构成，该芯片具有高性能、低成本、低功率等特点。STC 单片机上有对应的拨码开关，一般情况下我们设置成on 为基站、off为标签的形式。把STC 单片机上的拨码开关拨到off 的位置就得到了移动标签，选择设置1 个STC 单片机为移动基站，2 个STC 单片机完成测距，3 个或3 个以上的STC 单片机可以实现测距定位一体的功能。移动标签与设备相连接，用来接收数据并进行处理，这样简单的移动标签就完成了。

2.2 定位基站

将STC 单片机上的拨码开关拨到on 的位置，就可以得到定位基站。同样的道理，电源模块选择了自带的USB 供电模块，并由5 V 转3 V 的转换器构成，移动标签自带一个稳定的电源供给系统，选择一个小型的充电宝即可完成供电。图2 就是在STC 单片机上进行改进的转换模块，笔者将所有的模块与微处理器相连，UWB 信号收发器接收信号并发送给移动标签，担任信息传递的角色。预留USB2.0接口，目的是为了将程序写入基站并且能读取基站的数据。还可以通过USB 对内置电源进行充电。存储模块只能进行小规模的存储，将接收到的信号先存储然后传送到微处理器进行信号处理，最后再通过UWB 信号收发器发送给终端。Wi-Fi 发送模块与UWB 信号收发器一起使用，在发生故障时可代替UWB 信号收发器继续发送信号。预留接口则是方便进行改装或者在突发状况下，便于进行替换而预留的。转换方式如图2 所示。

图2 转换方式

在存储模块中，对数据进行处理时用的是8M Flash 存储芯片。选用原因是其PCB 板更小、更简单。这样可以更有效地进行降噪处理，减少制造成本，从而更好地发挥超宽带的优势。

3 系统软件工作原理

笔者所用的测距方法十分简单，一个基站一个标签就能构成简单的测距系统。如果要测量一个标签多个基站，就要使用高效的交汇法，以一个基站一个标签为半径，以标签为圆心做圆，这样多个圆就会交汇于同一点，再根据各个基站发送的位置信息，我们就可以用根式方程式计算出各点的距离，延展开来我们还可以利用该方法进行定位，使位置距离信息更加准确。（X，Y）是移动标签（中心点）的坐标，（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc）是3 个或3 个以上定位基站的测距坐标。d 是通过公式测得的距离，da是A点到中心点的距离，db是B 点到中心点的距离，dc是C 点到中心点的距离。计算公式及图3 如下。

图3 交汇法测距原理

ToF 全称Time-of-Fight，就是飞行时间的意思。ToF，就是通过飞行时间来实现精确测距，是基站与标签进行合作完成的，基站与标签之间通过传递电信号，进而可以测量出时间。首先，当标签需要测量时会发送poll 指令，基于超宽带在短距离的优势，每个基站都会发送反馈指令response[2]。这样计算出2 两者之间来回的时间，且测量精度达到亚秒级别，当然为了省时省电，我们会进行统一的集中处理数据。当标签需要测距时发送poll 指令，所有的基站都会在毫秒级别的时间差中发送response 给对应的频段。当标签接收到所有的反馈之后，又会瞬间发送over。所有指令的时间单位都在精准的毫秒级别。当一个过程完成后，这时我们得到的来回时间差为T，V 为电信号的速度。根据公式S=T×V，计算出2 点之间的距离S。针对多数反馈存在测量精度不准确的问题，我们还可以利用新算法来解决。基于Keil 来编辑的程序需要经过反复调试，所以笔者将陈氏算法和泰勒级数相结合，陈氏算法初值估计能力好，泰勒级数展开收敛速度快，通过这样的方式来提高运行效率，这样测值将会更加精确。另外一种方式就是多次测量取平均值，在短时间内进行30 次运算，结合两者可以大幅提高测距的准确度。

4 系统验证

以普通住房为例，测距设备应该满足体积小、功耗低等要求[3]，所以笔者进行了许多改进。为了验证系统的可信性，进行了多次数据验证，并举例证明。首先验证系统是否具有低功耗的特点。前文提到了该系统的节电方法，通过表1 我们可以得到相关数据，收发信号的电流都在毫安级别，小于市面上大部分的测距设备。通过系统测量以及人工测量，我们可以看到其精度差在±0.05 m，基本满足测距要求。具体验证数据见表2。

表1 2 点测距

表2 多点测距

表2 中A、B、C 分别是3 个移动标签的位置，a、b、c 是3 个任意选取的测量点。利用交汇法测量9 组数据，再对9 组数据进行对比。

5 结论

该文设计的超宽带室内测距系统充分发挥了其在非正弦波窄波脉冲数据传播上的优点，相较于传统的GPS 定位系统，超宽带系统拥有更精准地定位算法，可以缓解高速因特网的负担。总的来说，超宽带的功能实现是建立在软件和硬件相互配合的基础上，它应用范围广，未来前景好，具备了诸多优良特性。超宽带测距仅是其功能的一部分，我们还可以利用其进行精准定位。

虽然超宽带室内测距系统非常理想，但是目前的技术不够完善，其系统占用带宽很高的问题并没有得到很好地解决，大范围的应用可能会干扰到其他的无线通信系统。但超宽带系统在精准定位、传输速度和穿透力上都明显高于目前的无线定位系统，极具发展潜力。由最近的市场调研可知，其市场推动力在逐年提高，发展前景光明，未来短距离高精度室内测距在市场必定会占有一席之地。