基于UWB的物体定位模块的研究与设计

万 瑜，邱迎龙，何小鹏

（湖北民族大学 新材料与机电工程学院，湖北 恩施 445000）

0 引 言

近年来，随着互联网技术的飞速发展，室内环境下基于位置的服务越来越受到人们的重视。在紧急情况下，室内定位系统可以帮助救援人员准确定位每一个人的位置[1]，包括建筑物乃至房间号，或者地下停车场定位[2]、养老院人员统计等。为了满足人们对高精度室内定位的多样化需求，一种基于UWB的室内定位系统[3]应运而生。该系统可以有效提高室内环境下物体的定位精度，具有广阔的应用市场。

1 系统总体设计

系统以STM32F103为控制核心，定位芯片采用DW1000，结合TDOA算法[4]计算移动标签的位置坐标。标签节点、主基站和次基站[5]的硬件设计一致，系统的工作频率可以人为设置。室内每个基站需要被摆放在固定坐标点，方便进行坐标计算。标签节点用来接收基站的测距命令，由基站发射UWB信号，标签接收到UWB信号后做出响应，基站与标签间采用双向飞行测距算法得到距离。次基站计算出距离之后将得到的距离发送给主基站，主基站将数据汇总后利用质心定位算法[6]计算标签的位置坐标，之后，主基站将得到的位置信息发送到GUI界面进行显示。系统总体结构如图1所示。

图1 系统结构

2 系统的硬件设计

本系统的硬件[7]主要分为处理器模块、无线通信模块、电源管理模块以及其他电路，各模块之间协同工作。

2.1 处理器模块

系统处理器采用意法半导体公司出品的STM32F103，处理器通过I2C协议与存储器模块连接，用以存储基站、标签模式、地址和列表等信息，必要时可供处理器调用。STM32F103C8T6外围电路包括电源模块、时钟电路、串口电路三部分，电源通过TPS736将5 V电压转换成3.3 V为处理器供电，时钟电路包含2个时钟源，8 MHz的晶振通过处理器内部锁相环倍频到72 MHz，串口电路完成处理器与PC机间的数据交换。

2.2 无线通信模块

无线通信模块采用DecaWave公司开发的DW1000芯片[8]，这是一款兼容IEEE 802.15.4-2011协议的超宽带无线收发芯片，其定位精度在10 cm以内，具有功耗低、成本低、抗干扰能力强、支持多点定位等特点，在测距算法上支持TOF算法和TDOA算法。

2.3 电源管理模块

电源是系统稳定运行的重要保障，设计优良的电源电路能大大延长电路中元器件的使用寿命，降低系统功耗。本系统需要使用+5 V和+3.3 V的电压给板载元件供电，其中DW1000芯片需要使用独立电源进行单独供电，其发射瞬间电流达到500 mA，如果直接采用USB转TTL或者电脑USB接口给模块供电，会使数据产生较大波动，其波动级别大约在米级，严重影响定位精度。电源电路如图2所示。

图2 电源电路

3 系统的软件设计

图3所示为系统的总体程序。要想成功定位标签的位置，首先需要使用测距算法计算出标签到3个基站之间的距离，但是初步得到的数据可能出现偶然误差并不能直接使用，因此需要对原始数据进行卡尔曼滤波[9]，滤波之后的数据利用定位算法[10]计算出标签的位置坐标。

图3 系统总体程序

图4所示为低通滤波算法流程。标签和基站之间的距离由于环境和模块本身的影响，可能会存在较大误差，因此需要对测得的距离进行低通滤波处理。

图4 低通滤波算法流程

4 结 语

UWB定位系统凭借着高精度、高动态、高容量、低功耗等优点，未来将成为室内定位的主流技术，具有广阔的市场及应用前景。本文通过对UWB定位系统进行研究，希望为广大同仁提供一种可行的室内定位方案。