基于UWB的室內(nèi)定位平臺設(shè)計及應(yīng)用*

何燕凱，劉太君**，葉焱，王寅秋，楊東旭

（1.寧波大學(xué)未來無線研究院，浙江 寧波 315211；2.浙江旅游職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

0 引言

計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展使全球信息化產(chǎn)業(yè)步入物聯(lián)網(wǎng)時代，定位技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中極其重要的組成部分，具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值[1-4]。

隨著人們對室內(nèi)定位技術(shù)的關(guān)注與研究，出現(xiàn)了很多室內(nèi)定位技術(shù)，常用的有紅外線定位、藍牙定位、Wi-Fi定位、超寬帶定位等技術(shù)[5]。超寬帶（Ultra Wide Band,UWB）技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)[6]，與傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)相比，具有功耗低，安全性高，多徑分辨能力強等優(yōu)點[7]，該技術(shù)被應(yīng)用到無線定位系統(tǒng)中時，其在定位精度上有著其他定位技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，成為目前短距離無線定位的可靠選擇[8]。

本文基于UWB 實現(xiàn)了一套室內(nèi)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基站標簽一體化的硬件板，其中硬件板由DecaWave公司的DW1000 芯片設(shè)計制作完成；基于node.js 搭建了服務(wù)器，使用js 搭建了web 界面；定位算法模塊由c++編譯完成。服務(wù)器作為一個溝通“橋梁”建立起了標簽與web 界面之間的通信，連接了定位算法模塊與web 界面之間的數(shù)據(jù)通信?？紤]到基站與標簽時鐘同步的難度與信號實際傳輸?shù)挠绊懀疚牟捎秒p邊雙向測距方法來測量標簽到基站的距離，采用雙曲線模型對測得的距離進行解析。最終，設(shè)計出了一套高精度、高實時性、操作簡單的室內(nèi)定位系統(tǒng)。

1 室內(nèi)定位平臺整體框架

1.1 系統(tǒng)概述

超寬帶室內(nèi)定位平臺主要由位置已知的基站、攜帶方便的標簽和軟件系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。其中基站與標簽采用硬件一體化設(shè)計的方式，可通過軟件系統(tǒng)對其進行角色配置。軟件系統(tǒng)由服務(wù)器、可視化界面和定位算法模塊構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)工作前，先配置基站和標簽的角色，并實地勘測基站的位置信息。系統(tǒng)工作時，定位標簽接收基站節(jié)點的數(shù)據(jù)幀，并讀取基站的時間戳信號和獨有的ID，然后打包發(fā)送給定位軟件系統(tǒng)。定位軟件系統(tǒng)調(diào)用定位算法對數(shù)據(jù)進行處理解算得到相應(yīng)的坐標值，然后在標簽顯示界面進行實時顯示。

1.2 平臺架構(gòu)

本文將定位平臺架構(gòu)分為四層，分別為：

（1）定位業(yè)務(wù)層。給使用者提供可視化界面，其中包括基站控制、地圖加載和位置顯示等。

（2）定位功能層。負責(zé)基站標簽的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器，經(jīng)過定位算法解析后，再傳輸給可視化界面進行實時顯示。

（3）傳輸層。利用ZigBee 通信技術(shù)進行定位標簽和服務(wù)器之間的通信。

（4）終端層。其包括基站標簽一體化硬件板和數(shù)據(jù)通信硬件模塊。

1.3 平臺功能分析

本文設(shè)計的定位平臺，可以根據(jù)坐標信息已知的定位基站，實現(xiàn)對移動標簽的位置求解，并且傳輸?shù)娇梢暬缑孢M行實時展示。主要系統(tǒng)功能如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)通信。UWB 定位系統(tǒng)可組成小型局域網(wǎng)絡(luò)，如基站和標簽之間的通信。該網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器之間通過ZigBee 進行通信，不但可以接收來自軟件系統(tǒng)的指令消息，而且會將數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息實時上傳到后臺服務(wù)器。

（2）坐標求解。本文使用雙曲線模型定位算法對標簽進行坐標求解，然后在定位軟件上實時顯示。

（3）可視化界面。系統(tǒng)的易用性和交互性也是定位平臺的關(guān)鍵問題，因此本文設(shè)計了人機間的交互式接口，使用者可以方便地使用該室內(nèi)定位平臺。

2 硬件設(shè)計及定位算法

2.1 硬件模塊

本文的定位系統(tǒng)硬件采用基站和標簽一體化的硬件板，并設(shè)計了接口可以通過定位軟件系統(tǒng)進行角色設(shè)置。其中硬件板由電源管理模塊、UWB 無線收發(fā)模塊和核心控制模塊組成。圖2 為硬件實物圖：

圖2 硬件實物圖

采用DW1000 作為UWB 無線收發(fā)模塊的收發(fā)芯片，以單片機STM32 作為核心控制器。單片機通過串口連接無線收發(fā)芯片，進而對其進行控制和數(shù)據(jù)的采集與傳輸。電源模塊則為整個硬件板提供穩(wěn)定的電源支持。

2.2 測距算法

本文設(shè)計的定位系統(tǒng)由硬件模塊完成距離估計，而精準的距離估算是實現(xiàn)高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)的前提。因此，本文結(jié)合UWB 室內(nèi)定位技術(shù)的特點，采用基于信號飛行時間（TOF）的距離估算方法。

TOF 測距方法的實現(xiàn)方式為雙邊雙向測距（Double-Sided Two-Way Ranging,DS-TWR），即定位基站與標簽之間需要進行多次輪詢及響應(yīng)通信，實現(xiàn)過程如圖3 所示：

圖3 TOF實現(xiàn)過程

圖3 中，Tpolling為設(shè)備A 從發(fā)送輪詢信號給設(shè)備B到接收到來自設(shè)備B 的響應(yīng)信號的時間，Tanswer為設(shè)備B 接收到設(shè)備A 發(fā)出的輪詢信號到發(fā)出響應(yīng)信號給設(shè)備A 的時間，Tflight為信號的傳輸時間，其可用公式(1)來表示：

2.3 定位算法

本文采用到達時間差（TDOA）定位算法的模型進行定位解析。假設(shè)有3 個位置已知的基站，那么定位軟件會接收到3 個由標簽發(fā)送過來的距離信息，并且可以通過唯一ID 進行區(qū)分。具體定位算法解析模型如圖4 所示：

圖4 定位算法解析模型

其中，定位基站為BS1、BS2和BS3，標簽離各基站的距離分別為d1、d2和d3。標簽到BS1和BS2之間的距離差為d21=d1-d2，根據(jù)雙曲線的數(shù)學(xué)模型，以BS1和BS2為焦點，以d21為焦距在平面坐標系做雙曲線。同理，以BS1和BS3為焦點，以d31為焦距做第二條雙曲線，那么標簽即為兩條雙曲線的交點。根據(jù)上述可列出式(2)如下：

其中，(x0,y0)為標簽的坐標，(xi,yi)(i=1,2,3)為各基站的坐標。本文采用chan 算法對方程組進行求解，它是非遞歸雙曲線方程組解法。該算法的主要特點為在測量誤差服從理想高斯分布時，其定位精度高、計算量小，并且可以通過增加基站數(shù)量來提高算法精度。最終可以解得標簽的坐標如式(3)和(4)所示：

其中，

其中，xi和yi為測量已知，di由硬件模塊測量得到，因此可以根據(jù)公式(3)求解得出移動標簽的位置。

3 定位軟件設(shè)計

3.1 軟件整體框架

本文設(shè)計的定位軟件系統(tǒng)由服務(wù)器、客戶端控制顯示部分以及定位算法模塊三個子模塊組成?？蛻舳丝梢园l(fā)送命令傳給服務(wù)器對基站進行控制，服務(wù)器將接收的標簽位置數(shù)據(jù)發(fā)送給算法模塊，經(jīng)過算法解析后將標簽的位置信息再傳給服務(wù)器，然后服務(wù)器將標簽的位置傳給客戶端進行實時顯示。

3.2 服務(wù)軟件設(shè)計

軟件平臺中的服務(wù)器是由node.js 編寫實現(xiàn)的。node.js 是建立在Chrome V8 上的運行平臺，它用于構(gòu)建快速、可擴展的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。node.js 的三個主要特點為：異步非阻塞的I/O 模型、事件驅(qū)動和單線程[9]。node.js 的特性和架構(gòu)使得跨分布式設(shè)備的數(shù)據(jù)密集型實時應(yīng)用更加輕量、高效和完美。在高并發(fā)請求的情況下，異步非阻塞的node.js 構(gòu)建的服務(wù)器比同步阻塞的PHP 等構(gòu)建的應(yīng)用程序響應(yīng)時間更短、吞吐率更高[10]。

服務(wù)軟件框架中調(diào)用了node.js 中的內(nèi)置模塊實現(xiàn)與界面和算法模塊之間的通信，主要用到的是http 模塊和ffi 模塊。

http 模塊是本平臺的核心模塊，其中封裝了一個http服務(wù)器和一個簡易的http 客戶端。http.server()用于創(chuàng)建一個http 服務(wù)器，而http.request()和http.get()可以使客戶端向http 服務(wù)器發(fā)起請求，同時服務(wù)器也可以監(jiān)聽客戶端事件。

ffi 模塊是本平臺另一個重要的模塊，可用于調(diào)用動態(tài)鏈接庫。考慮到實時性的重要性，且相較于其他的編程語言，c++的解算速度是最快的，因此本文的定位算法由c++編譯實現(xiàn)。ffi 模塊實現(xiàn)了服務(wù)器與定位算法模塊之間的通信，保證了整個定位平臺的實時性。

3.3 軟件界面設(shè)計

本文可視化界面的表現(xiàn)形式是web 應(yīng)用，其具有成本低、跨平臺、無需安裝、易于更新等優(yōu)點。整體web應(yīng)用由HTML5、css3 和js 編譯完成。對于位置信息的前后端通信，本文采用的是html5 的一種新的幀協(xié)議websocket，其實現(xiàn)的功能如下：

（1）基本收發(fā)?；臼瞻l(fā)界面分為三個模塊分別為基礎(chǔ)配置、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送?；A(chǔ)配置用于選擇與通信模塊相匹配的端口和波特率；數(shù)據(jù)接收用于顯示服務(wù)器從標簽接收到的關(guān)于位置信息的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)發(fā)送用于控制配置基站，可以從這個模塊對基站發(fā)送指令。

（2）基站監(jiān)控。該界面主要用于監(jiān)控基站是否處于正常運行狀態(tài)。

（3）標簽顯示。標簽顯示界面主要分為兩個模塊分別為數(shù)據(jù)顯示模塊和電子地圖模塊。數(shù)據(jù)顯示模塊是用于顯示基站和標簽的位置；電子地圖模塊則用于地圖導(dǎo)入，可以在地圖上實時地顯示標簽位置。

4 平臺測試

4.1 測試環(huán)境

測試環(huán)境選擇了1 080 cm×1 470 cm 的實驗室，在實驗室的四個角落各自擺上一個基站，如圖5 所示：

圖5 測試環(huán)境

其中，基站1 到基站4 的坐標分別設(shè)置為(240,80)、(1 040,160)、(80,1 440)、(960,1 040)，以上坐標單位均為厘米。實驗室中存在大量儀器，對UWB 的信號存在一定干擾，且基站與標簽處于非視距情況下，環(huán)境較為復(fù)雜。軟件平臺的運行環(huán)境為64 位的windows 10，瀏覽器為IE。

4.2 實驗測試

（1）基本收發(fā)界面

給基站和標簽供電后，在界面配置相應(yīng)的端口號和比特率，可以接收來自標簽傳輸過來的距離信息，如圖6所示：

圖6 基本收發(fā)運行界面

（2）基站監(jiān)控界面

基站監(jiān)控界面的整體布局如圖7 所示：

圖7 基站監(jiān)控界面

（3）標簽顯示界面

標簽界面如圖8 所示，其中地圖由本地導(dǎo)入，需要按照一定的比例尺對圖片進行像素更改。當標簽開始運動時，可在地圖上實時繪制其軌跡，如圖8 所示。其中黃色為標簽的實際運動軌跡，粉色為標簽的定位軌跡。

圖8 標簽軌跡圖

（4）測試數(shù)據(jù)分析

本文采用均方根誤差（Root Mean Squared Error,RMSE）作為定位精度的衡量標準。在二維平面下，RMSE 的計算方法如公式(12)所示：

其中，(x,y)為標簽的實際位置，(x',y')為定位算法解析的位置坐標。本文對定點進行了上千次測試，并抽取部分數(shù)據(jù)進行分析，分析結(jié)果如圖9 所示：

圖9 測試誤差

圖9 中的橫坐標表示本次抽取數(shù)據(jù)的組數(shù)，縱坐標為抽取數(shù)據(jù)的測試誤差，測試誤差單位為厘米。如圖9所示，x 軸和y 軸的定位誤差均在10 cm 左右。圖8 所示的地圖中的小方格代表20 cm，那么如圖8 所示，標簽運動軌跡的繪制誤差在20 cm 左右。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于UWB 的室內(nèi)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由基站標簽一體化的硬件板與軟件系統(tǒng)組成，其中軟件系統(tǒng)包括服務(wù)器模塊、定位算法模塊和可視化界面模塊。服務(wù)器模塊連接了硬件板與可視化界面之間的數(shù)據(jù)通信，同時完成了定位算法模塊和可視化界面之間的數(shù)據(jù)傳輸。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的定位系統(tǒng)運行穩(wěn)定，web 界面的各項功能正常工作且實時性良好。通過實驗數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)具有較高的定位精度，靜點的定位精度在10 cm 左右，動點的定位精度在20 cm 左右。