基于DW1000的室内定位系统设计与测距优化方法

李园园，李 勇

（中山职业技术学院，广东 中山 528404）

基于DW1000的室内定位系统设计与测距优化方法

李园园，李 勇

（中山职业技术学院，广东 中山 528404）

文章提出了基于DecaWave的单片收发一体射频芯片DW1000的UWB定位方案，设计了系统的软硬件框，讨论了相关定位算法及测距的优化算法。系统中被测节点（tag）与锚节（anchor）点通过双向TDOA算法等到两者之间的距离，tag与多个anchor的距离通过UWB通信被汇总至定位服务器，由定位服务器三角质心定位算法测算出tag的三维空间坐标。经实验研究表明，系统在LOS环境下具有较高的精度，在NLOS环境下也具有良好表现。

室内定位；UWB；TDOA；三角质心算法

无线定位技术是利用射频信号和几种常用定位算法，实现定位、追踪和监测特定目标的位置的技术。常见的定位技术有：WiFi定位技术、蓝牙定位技术、ZigBee定位技术、超宽带（Ultra Wide Band，UWB）定位技术等。UWB定位在理论上可获得厘米级甚至更高的定位精度, 在精确定位应用中极具潜力，是当前无线定位技术研究热点[1]。

1 系统整体结构

要在三维空间中实现定位，定位系统至少需要3个锚节点，1个被测的可移动节点，一台运行定位算法的定位服务器。在三维空间中，锚节点被安装特定的已知位置，被测的移动节点在三维空间中可以随意移动。被测移动节点分别与各个锚节点之间采用TDOA[2]算法确定两者之间的距离，然后被测节点将数据发送到定位服务器，由定位服务器根据定位算法计算出被测节点的空间位置[3]。锚节点与被测节点以及定位服务器端的接受器，在系统中采用相同的硬件结构，由软件分别实现不同的功能。

2 硬件设计

系统中节点主要由系统电源管理部分、UWB射频收发模块、stm32主控部分构成，如图1所示。

2.1 UWB射频收发模块

UWB射频收发模块：是本定位系统的核心部件，锚节点与移动节点使用相同的电路，通过软件来实现各自功能，锚节点与移动节点间通过射频通信以及双向TDOA算法来了解点之间的距离。

该模块的无线定位芯片DW1000是芯片初创企业DecaWave发布的一款基于UWB技术的兼容IEEE802.15.4-2011标准的射频芯片。模块中DW1000所使用的晶振频率为38.4 MHz，可由温度补偿晶体振荡器（Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO）直接通过XTAL1管脚直接提供振荡源，但成本相对较高，本系统直接在XTAL1 与XTAL2管脚间加入一振荡频率为38.4 MHz的石英晶体。对于石英晶体由于工艺产生的偏差，DW1000可通过fs_xtal寄存器进行-20～20 ppm的补偿，本系统选择Geyer公司型号为kx-5t的晶体。

DW1000正常工作电压为3.3 V，部分片上资源可以直接由外部3.3 V供电，部分资源需通过片上LDO降压至1.8 V供电，这些LDO需通过相关管脚外接去耦电容，如图2中VDDDIG，VDDREG，VDDIF，VDDMS，VDDVCO，VDDCLK，VDDSYN均通过0.1 μF的电容去耦接地。

芯片的射频收发范围为3～8 GHz，故系统中的平衡变压器T1以及陶瓷天线在选型时均需考虑工作频率，T1为TDK 的HHM1595A1，陶瓷天线为Partron的ACS5200HFAUWB。

DW1000有8个GPIO，且均可配置为第二功能，本系统中不作其他用途，连接至接线端子，作为备用。SPICSn, SPICLK, SPIMOSI, SPIMISO连接至主控芯片Stm32f103rbt6中SPI模块对应的管脚，作为DW1000与Stm32f103rbt6的通信接口。

图1 节点硬件结构图

2.2 主控芯片

stm32主控部分通过Spi总线对DW1000模块进行配置管理以及数据通信，被测点还需要将距离数据打包然后与定位服务器通信，定位服务器通过几何算法确定移动节点的最终位置。

系统中使用的控制芯片为意法半导体公司的Stm32f103rbt6，该芯片基于32位cortex-m3内核，最高工作频率可达到72 MHz。该芯片具有以下特点：（1）具有128 K字节的程序存储空间，20 K字节的sram空间；（2）具有丰富的可编程IO资源以及AD与DA资源；（3）多种通信接口，如SPI接口、I2C接口、Uart接口以及Can总线等接口；（4）有睡眠、停机和待机模式多种低功耗模式。根据以上特点，主控部分可以尽量做到低功耗，占用较少的空间尺寸。

3 程序框架与算法设计

系统整体软件框架设计如图2所示，软件框架主要分为3层：用户应用层、DWM API业务层、设备驱动层。其中DecaWare实现了DWM API业务层以及驱动层部分代码。驱动层通过DM1000的SPI接口来控制其运行，在驱动层中提供了用于访问硬件的接口函数writetospi()和readfromspi()，这两个函数需要根据不同的主控芯片及其配置来有用户自己实现。

图 2 系统程序框架

3.1 测距算法

系统中两节点之间的距离采用了双向TDOA算法，算法执行过程如下：

tag发送一条poll给目标anchor节点，并标记发送时间Tsp，然后进入开始侦听anchor的response消息的状态，如果一段时间没有消息，则tag会超时，并再次发出poll消息。

anchor侦听地址为自己的poll消息，如得到消息，则标记接收时间Trp，并发出response消息给tag，同时标记发送时间Tsr。

tag收到respond消息，标记接收时间Trr，然后将Tsp，Trr，Tsf打包进入一帧final消息发送给anchor，其中Tsf为该消息的发送时间（dw1000特殊功能）。

anchor接收到final后，就有足够的信息计算出两者距离。

则单边flight时间为：

3.2 测距优化

式（1）中，Tsp，Tsr，Tsf是每一个发射帧的RMARKER（数据帧的第一个脉冲离开发射天线的时刻），其中包含从发射电路到发射天线的延时TX_ANTD；Trr，Trp，Trf是每一个接收帧的RMARKER（数据帧的第一个脉冲到达接收天线的时刻），其中包含从接收天线到接收电路的延时LDE_RXANTD。

从上面可以看出，TX_ANTD与LDE_RXANTD的值的精度将会影响TOF，从而影响到两点之间的测量距离。我们采用如下方式来调整：

（1）让发射端和接收端的天线相距一个无遮挡的标准距离，如100 cm；（2）根据脉冲PRF（pulse repetition frequency），选择经验值，DWT_PRF_64M_RFDLY （515.6f）；或DWT_PRF_16M_RFDLY（515.0f））；（3）重复收发实验，比较根据上式（1）所计算出的距离与标准距离，调整天线延时值，直到计算距离与标准距离相等，得到精确的天线延时值。

3.3 定位算法

由双向TDOA算法测量tag标签与3个anchor标签的距离后R1，R2，R3后，假设3个anchor标签在空间中的坐标已知且分别为(x1,y1,z1), (x2,y2,z2),(x3,y3,z3)，被测tag标签坐标未知,坐标为(x,y,z)。可以得到以下方程组，解出方程组的两组解，在根据anchor标签安装位置既可以筛选出tag标签的坐标。

4 结语

按照前文所述的软硬件结构搭建好系统后并进行环境设计后，分别进行了tag标签与anchor标签之间的TDOA算法测试，以及整个系统三角质心定位算法[4]测距，测试结果如表1所示。

表1 定位误差测试表

从表1中可以看出，UWB在直线测距中表现非常优秀，而且有较好的抗多径能力，定位算法的选择也将影响实际的定位精度。

与同属射频信号的蓝牙定位技术、ZigBee定位技术相比，UWB在定位精度上有这显著的提高，随着高精度室内定位市场价值的开发，UWB定位技术将会有较大的关注和发展。

[1]张令文，杨刚.超宽带室内定位关键技术[J].数据采集与处理，2013（6）：706-713.

[2]朱国辉，冯大政，周延，等.一种线性校正到达时间差定位算法[J].电子与信息学报，2015（1）：85-90.

[3]肖竹，王勇超，田斌，等.超宽带定位研究与应用：回顾和展望[J].电子学报，2011（1）：133-141.

[4]赵大龙，白凤山，董思宇，等.一种基于卡尔曼和线性插值滤波的改进三角质心定位算法[J].传感技术学报，2015（7）：1086-1090.

Abstract: This paper analyzes the status of course scheduling algorithm in domestic and foreign research and puts forward the idea of priority scheduling algorithm based on equivalent classification, the idea includes the basic principles of the determination algorithm, algorithm, etc. In the end, the flow chart of the algorithm and the related test data are given in this paper.

Key words: educational administration system; algorithm; priority

Design and optimization of indoor positioning system based on DW1000

Li Yuanyuan, Li Yong
（Zhongshan Polytechnic, Zhongshan 528404, China）

This paper presents an UWB positioning scheme based on DecaWave single chip transceiver integrated RF chip DW1000 and designs the software and hardware architecture of the system, depicts its design and type selection, discusses correlation location algorithm and ranging optimization algorithm. The nodes in the system under test (tag) and anchor section (anchor) through the bidirectional TDOA algorithm when the distance between the two, tag and multiple anchor distance by UWB communication are aggregated to the location server, a location server triangle centroid location algorithm is used to calculate the 3D coordinates of tag. Experimental results show that the system has a high precision in the LOS environment, and also has a good performance in the NLOS environment.

indoor positioning; UWB; TDOA; triangle centroid algorithm

Design of course scheduling algorithm based on priority classification

Yang Ming
（Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210031, China）

中山市科技计划项目；项目编号：x2013A3FC0306。中山市社会公益科技研究专项资金；项目编号：2015B2368。

李园园（1981— ），女 ，甘肃白银，讲师；研究方向：嵌入式系统，移动应用技术。