基于UWB技术的样品智能管理硬件平台的设计

郑小艳，张娟，武宏璋，王惠君，吴姣

西安计量技术研究院，陕西西安，710068

0 引言

检验检测机构中高价值、高精密的样品种类繁杂且流转频繁，需要在日常检测和使用中精细保管，防止样品发生混淆、丢失。由于传统的条码标签的管理，存在易复制、只能在可视范围内读取信息、无法实时定位等问题，所以开发出高精度的智能管理系统尤为迫切。

针对器具样品和机构固定资产，构建基于位置的物联网技术物品可视化管理平台，不仅方便内部操作人员的取货查找，更方便客户查询和管理人员的实时监控，达到有效监督的目的，并为机构的流程管理提供基础的数据支持。结合这些基础数据的分析，也将在解决机构器具样品及固定资产管理难题的同时，提升检验检测流程的效率和质量。

经调研，目前广泛应用的室内自动定位系统主要是红外线定位技术、WLAN定位技术、蓝牙定位技术、超宽带定位技术（UWB技术），UWB技术是近年来新兴的室内定位技术，它相较于以往技术的优势是功率更低、速率更高、成本更低。基于UWB的室内定位技术不仅可以大大提高定位精度，还具有抗多径衰落和穿透能力强等优点，本设计是基于DW1000超宽带芯片，实现了一种高精度的样品智能管理系统。

1 系统整体架构及定位原理

1.1 系统整体框图

整个定位系统主要由定位基站、定位标签和位置服务器软硬件系统三部分组成，其中，定位基站和定位标签均采用了UWB1000芯片。系统工作时，定位基站接收定位标签发出的数据，并读取其时间戳信号和独有的ID，由微控制器打包发给位置服务器，位置服务器通过软硬件系统解算标签的位置坐标，并通过软件平台显示标签实时位置及状态等信息。图1所示为系统整体架构图，数据流由标签发出自下而上传输，控制流自上而下进行传输。

图1 系统整体架构图

基站和标签构成了室内定位系统的硬件核心部分，在布局组网时，二维的平面的最简化的定位系统至少需要用到三个基站和一个标签，三维空间的最简化定位系统需要四个基站，一个标签，图2为系统布局的示意图。

图2 系统布局示意图

1.1.1 定位基站

在布局组网时，在室内空间上方的四个角落分别固定四个基站，基站在布局时应尽量避免遮挡物，首先在定位软件系统设置空间坐标的原点，然后在设定四个基站的准确位置。标签以可调频率向基站发射无线脉冲信号，基站接收后会将信号转化为数字信息发送给微处理器（MCU）进行数据处理，再根据定位算法计算出该标签在三维系统中的具体坐标。

1.1.2 定位标签

定位标签在工作时，以可调的频率向四周发送UWB无线脉冲信号，当标签工作在基站所覆盖的范围就可以实现实时定位，如果标签在移动，软件系统可以根据不断变化的位置坐标，绘制出标签的移动轨迹。

1.2 系统的定位原理

本系统所设计的硬件平台采用TDOA定位算法，简单来说就是利用“到达时间差”计算距离的方法，详细来说就是利用多个时钟同步的定位基站同时接受来自一个标签发出的广播包，因为同一个标签发出的同一次广播包到达不同位置基站的时间不同。在定位时，只要保证定位基站之间的时钟同步，不要求基站和标签之间的时钟同步，然后利用到达时间的不同的方法来定位，便于设计实现。标签通过向位置确定的定位基站发送无线信号，可以计算出标签到定位基站之间的时间差，又因为无线信号在空气中的传播速度为光速，所以，可以得到标签节点到基站之间的距离，再依据双曲线原理，使用最小二乘法，则可求出标签节点的位置坐标，从而完成标签定位。定位原理如图3所示。

语言的学习必须要以具体的语境为主，我国之所以在英语教学实践的过程之中难以突破哑巴式英语教学所存在的各种不足，主要在于我国是以汉语为母语，缺乏一定的英语学习语境，许多学生只积累丰富的词汇量，但是无法在生活实践的过程之中利用英语与他人进行互动以及沟通。相比之下，慕课时代的到来则能够有效地突破这一不足，其中慕课能够为学生营造良好的英语语言环境，保障学生能够在专业化的英语语境之中接受专业的英语传授，同时还能够与世界各国的学生进行专业问题的讨论，保障自身的专业英语水平能够得到有效的提升。

图3 定位原理图示意图

如上图，假设在二维空间中，已知布局好的三个定位基站结点A、B、C的位置坐标，分别表示为：A（x1，y1）、B（x2，y2）、C（x3，y3）。假设标签结点的坐标为T（x，y），T到A与T到B的距离差d1，T到A与T到C的距离差d2，再根据几何原理，标签节点T必定位于以定位基站结点A、B为焦点，与两个焦点的距离差恒为d1的双曲线上。同时，标签节点T也位于以定位基站结点A、C为焦点，与两个焦点的距离差恒为d2的双曲线上，则有：

已知T到A距离为dA，T到B的距离为dB，则有：

根据（2）式，则有：

上式是一个关于x，y，dB的线性方程组，若是再增加两个基站，则又增加了两个线性方程，可以写成矩阵形式，如下：

因为布局时，各个定位基站点的具体位置坐标都已知，因而可以求出x，y，dB得到位置标签T（x，y）的位置坐标。

2 硬件总体设计方案

2.1 室内定位系统的硬件组成

本系统的硬件主要分为主控模块、无线通信模块、电源管理模块和其他电路（复位电路、时钟电路、显示电路、LED电路）组成，如图4所示，各模块之间协同工作。基站和标签的硬件核心部分相同。本文以标签为例，主要就主控模块、无线通信模块、电源管理模块的设计进行论述。

图4 硬件系统模块图

2.2 主控模块

定位模块中的主控模块主要由处理器（MCU）组成，在处理器的选择上，采用了由意法半导体公司（ST公司）推出的互联型系列微控制器STM32L151CCU6。设计时芯片使用3.3V电源供电。该芯片基于ARM Cortex-M3内核，主频为32MHz，在实际工作中，DW1000芯片的中心频率大于500MHz，由于500MHz远远大于32MHz，因此主控芯片不会对UWB芯片造成频率上的干扰。芯片内部含有256K（256K×8）字节的FLASH和32K（32K x 8）字节的RAM、8KB EEPROM。硬件设计时，STM32L151CCU6除连接晶振的IO外，其他所有IO接口全部引出，方便扩展及开发。同时，芯片本身的I2C接口，16Mbps的SPI接口，USART接口，USB2.0接口也将根据实际需要设计相应的功能。

主控模块是硬件平台的核心，是定位基站与定位标签的控制器，为DW1000电路提供时序及数据交互功能，为满足系统时钟源的精准度，采用外部时钟无源8MHz晶振的方式提供时钟信号，通过处理器内部锁相环倍频到32MHz为系统提供主时钟。

图5 STM32L151CCU6电路设计图

2.3 无线通模块

无线通信模块核心芯片是DecaWave公司的DW1000无线收发芯片。按照数据手册上的介绍最小定位误差在10厘米以内，支持TOF测距和TDOA精确定位。DW1000的最远传输距离为450米（直视距离，非直视距离为45米），芯片功耗低，可双向测距和定位，电源设计时采用3.3V及1.8V供电。芯片工作的射频波段为3.5GHz到6.5GHz。该芯片的功耗非常低，睡眠模式电流仅为1μA，深度睡眠电流仅为50nA，因此，在设计时，为定位标签采用小容量电池供电提供了可能，该芯片拥有完整的MAC层支持软件。同时有SPI接口，工作时，通过SPI接口和主控模块的微处理器STM32L151CCU6通信，该芯片的原理图设计如图6所示。

图6 DW1000电路设计图

SPI接口的功能是可以使作为主设备的MCU与各种外围设备以同步串行方式进行通信。微控制器通过SPI接口实现对从设备无线收发芯片DW1000的控制，主要是对其内部寄存器以及RAM的读写操作，发送控制命令。SPI接口是一个4线接口，其中SCK信号表示MCU产生的时钟信号，完成对通信的时钟同步，MOSI信号表示MCU的输出数据以及DW1000的接收数据，MISO信号表示DW1000的输出数据以及MCU的接收数据，NSS信号表示片选信号，由MCU控制。

2.4 电源模块

该硬件平台采用5V直流电源供电，其他的电源均由5V通过电源芯片转化而成。本系统中电源种类涵盖了5V、3.3V及1.8V等直流电源。系统供电框图如图7所示。

图7 电源供电结构图

3 PCB设计及实物

在PCB设计中，为了节约成本，采用双层印制板设计，经过电路仿真，为了合理控制阻抗的匹配性，当电路信号线走线时，低速电路部分走线宽度设计为6mil。系统整体布局按照分组结构布置，图8为PCB的元器件布局图。

图8 PCB元器件布局图

4 系统测试

对系统做定位性能、测距测试、稳定性测试。测试时，信道的中心频率设定为4GHz，脉冲重复频率选取64MHz。在室内选择一个无障碍的环境，选择3m×4m的空地进行定位误差测试，选择长方形的4个端点布局上无线定位基站，测试人员手持标签模块按照逆时针方向依次从基站0开始走过基站1、基站2、基站3，最终再回到基站0，其定位轨迹如图9所示。

图9 定位轨迹图

上图中，移动标签节点的定位测试按照一定的轨迹以正常步行速度沿划定的实验区域运动，图中虚线框为测试轨迹，矩形框为实际运动轨迹。从测试结果上看，误差不超过10cm。

在实际场景的应用中，配合软件系统的显示功能，可以清晰地显示样品的位置和移动的轨迹，并可以结合数据分析，对样品实现智能化的管理。如图10所示，为样品移动的一段轨迹的显示，经测试，定位误差不超过10cm。

图10 样品移动轨迹图

5 结语

本文设计的基于DW1000的室内样品定位系统，设计原理简单，易于实现，在检验检测机构的样品智能管理的应用场景中，能精确追踪物品的行进轨迹，通过软件系统的模拟，可以形成实时、透明、可溯源的样品目标地图，能为样品的检验检测提供丰富的应用场景，具有良好的应用前景。