王震,郭建

(湘潭大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湘潭 411105)

改進(jìn)TDOA算法的UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王震,郭建

(湘潭大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湘潭 411105)

提出了一種基于UWB的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)信息交互，得到時(shí)間差，通過(guò)nRF24L01把時(shí)間差傳送給上位機(jī)，上位機(jī)利用改進(jìn)的TDOA算法和卡爾曼濾波算法，計(jì)算出目標(biāo)物體的位置，并在上位機(jī)中顯示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)最終使得室內(nèi)定位的達(dá)到了20 cm左右，并且抗多徑能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高,為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器定位提供了更多的參考。

室內(nèi)定位；UWB；多徑干擾；卡爾曼濾波;TDOA算法

引 言

室內(nèi)定位是一種對(duì)未知事物的位置進(jìn)行預(yù)判的技術(shù)。室外定位有比較成熟的解決方案,如GPS(Global Position System，全球定位系統(tǒng))、北斗通信等系統(tǒng)。然而室內(nèi)定位的發(fā)展卻一直處在一個(gè)不斷探索的道路上，還沒(méi)有非常成熟的解決方案。目前，國(guó)內(nèi)外的研究者針對(duì)室內(nèi)定位，主要提出了兩種室內(nèi)定位的思想。其一是根據(jù)目標(biāo)物體上的信號(hào)接收器接收到周圍信號(hào)發(fā)射器的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定目標(biāo)物體的位置，稱為RSS[1](Received Signal Strength Indication，接收的信號(hào)強(qiáng)度指示)。此思想需要在定位的場(chǎng)景里放置一些信號(hào)發(fā)射器，主要用到了藍(lán)牙[2]、WiFi[3]、紅外線等方法，但是這些方法信號(hào)傳播距離短，易受環(huán)境的影響，功耗較高，且定位精度也不是很高，只能達(dá)到米級(jí)。其二是根據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)物體的位置，稱為TOA[4](Time of Advent，到達(dá)時(shí)間)，也需要在定位場(chǎng)景里放置一些發(fā)射基站，然后與目標(biāo)物體上的接收器進(jìn)行信息交互來(lái)獲得時(shí)間戳，主要用到的方法有RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)、超聲波、UWB[5](Ultra Wideband，超帶寬)等。其中RFID傳播距離短，且很難集成到設(shè)備中；超聲波受環(huán)境溫度影響大，成本非常高；本系統(tǒng)中用到的UWB技術(shù)抗多徑干擾能力強(qiáng)，功耗較低，成本不高，理論定位精度能達(dá)到厘米級(jí)別，對(duì)于搭建這種多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信的室內(nèi)定位平臺(tái)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文中的定位系統(tǒng)采用的是一個(gè)上位機(jī)和多個(gè)下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)物體的室內(nèi)定位以及在上位機(jī)中顯示目標(biāo)物體的置的功能。下位機(jī)負(fù)責(zé)獲取時(shí)間戳，上位機(jī)主要是負(fù)責(zé)計(jì)算位置和顯示目標(biāo)物體的位置，上位機(jī)和下位機(jī)的通信通過(guò)nRF24L01實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)的硬件部分是基于UWB(IEEE802.15.4)協(xié)議組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)(Anchor)、1個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)(Tag)，軟件部分主要是通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的信息交互來(lái)獲取時(shí)間戳，然后通過(guò)nRF24L01發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)軟件通過(guò)串口接收到數(shù)據(jù)，并利用改進(jìn)的TDOA定位算法和卡爾曼濾波算法計(jì)算并顯示出目標(biāo)物體的位置。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 定位原理

本文中的定位系統(tǒng)是基于TDOA[6](Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差)定位思想實(shí)現(xiàn)的，然而比較傳統(tǒng)的TDOA算法需要所有的錨節(jié)點(diǎn)在開(kāi)始工作的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘同步。針對(duì)這一難題，本系統(tǒng)采用了改進(jìn)的TDOA算法，并不需要所有的錨節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步，使得工程的實(shí)現(xiàn)變得更加容易，但是面對(duì)室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境，無(wú)線信號(hào)在空氣中傳輸過(guò)程中，不可避免地會(huì)遇到非視距障礙物阻擋產(chǎn)生誤差，針對(duì)這一問(wèn)題，該系統(tǒng)中采用了卡爾曼濾波檢測(cè)算法來(lái)減小傳輸誤差，提高定位精度。

TDOA改進(jìn)算法不同于標(biāo)準(zhǔn)TDOA算法之處在于，它不是通過(guò)電纜來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘同步，但它同時(shí)解決了時(shí)鐘同步的難題，使得錨節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步變得更加容易和方便。如圖2所示，Anchor1、Anchor2、Anchor3、Anchor4分別為4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，即發(fā)射基站節(jié)點(diǎn)，Tag1為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，即需要定位的目標(biāo)物體。RA1T1、RA2T1、RA3T1、RA4T1分別表示4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)到標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的距離，RA1A3、RA1A4、RA1A2分別表示錨節(jié)點(diǎn)1到錨節(jié)點(diǎn)2、錨節(jié)點(diǎn)3、錨節(jié)點(diǎn)4的距離。

圖2 改進(jìn)的TDOA算法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖

首先，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，Anchor1發(fā)送一個(gè)信號(hào)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)Tag接收到Anchor1的信號(hào)后記錄此時(shí)的時(shí)間，其他Anchor接收到Anchor1的信號(hào)后，立馬發(fā)信號(hào)給Tag1，tn為第n個(gè)Anchor到達(dá)Tag1的時(shí)間 ，這樣就可以計(jì)算出Anchor2，Anchor3，Anchor4，…，Anchor n到Tag1的到達(dá)時(shí)間差(t2- t1)，(t3- t1)，(t4- t1)，…，(tn- t1)。結(jié)合Anchor(Anchor事先擺放好的，可以通過(guò)實(shí)地測(cè)量獲得其坐標(biāo)，一般以其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn))的坐標(biāo)計(jì)算Tag1的坐標(biāo)。對(duì)于改進(jìn)的TDOA算法來(lái)說(shuō)，Anchor1發(fā)射一個(gè)信號(hào)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)Tag1通過(guò)本地時(shí)鐘記錄下各個(gè)Anchor的到達(dá)時(shí)間，這就等同于Anchor1的信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的途徑到達(dá)了Tag1，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，改進(jìn)的TDOA算法把時(shí)鐘同步在算法層實(shí)現(xiàn)了，所以沒(méi)有必要在各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間部署網(wǎng)線或?qū)Ь€，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器的部署，并且解決了時(shí)鐘同步的難題。

TDOA改進(jìn)算法列出方程組如下：

(1)

然而面對(duì)室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境，不管什么信號(hào)在室內(nèi)傳輸過(guò)程中，都會(huì)遇到非視距的障礙物而產(chǎn)生阻擋誤差，針對(duì)這一問(wèn)題，本系統(tǒng)采用了卡爾曼濾波錯(cuò)誤檢測(cè)算法[7-8]來(lái)減小傳輸誤差?？柭鼮V波的計(jì)算基于這樣一個(gè)假設(shè)，所有的測(cè)量結(jié)果都是由可加性高斯噪聲和真實(shí)信號(hào)組成的。如果假設(shè)成立，卡爾曼濾波可以有效地從含噪聲的測(cè)量結(jié)果中得到信號(hào)信息，然后設(shè)置一個(gè)時(shí)鐘偏離閾值，如果實(shí)際的時(shí)鐘偏差大于預(yù)測(cè)時(shí)鐘偏差的時(shí)鐘，就認(rèn)為當(dāng)前的獲得的定位值不可信，直接丟棄此次獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一次定位，從而減少定位的誤差。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)框架

錨節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)搭載的都是半導(dǎo)體公司DecaWave生產(chǎn)的DWM1000模塊，它可以工作在收發(fā)信號(hào)兩種狀態(tài)，并且可以通過(guò)控制相關(guān)寄存器的標(biāo)志位來(lái)控制工作狀態(tài)的切換。DWM1000模塊集成了射頻無(wú)線電設(shè)計(jì)所需的全部元器件，包括DW1000芯片、天線、平衡-不平衡變換器、石英晶體及無(wú)源元件，均集成在一個(gè)23×13×2.9的24針側(cè)邊城堡形封(side-castellation package)。DWM1000有標(biāo)準(zhǔn)的SPI從接口，速率最高達(dá)20 MHz，易于與更多的微控制器結(jié)合，而且物理尺寸很少，非常容易集成實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)(RTLS)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。DW1000是一款符合IEEE802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)的低能耗、低成本無(wú)線收發(fā)芯片，該芯片采用的是90 nm的CMOS工藝，數(shù)據(jù)傳輸高達(dá)6.8 Mb/s，可以工作在6個(gè)頻帶，脈沖持續(xù)時(shí)間非常短，同時(shí)帶寬比較寬，時(shí)間分辨率良好，因此抗多徑能力強(qiáng)，非常適合室內(nèi)這種環(huán)境非常復(fù)雜的場(chǎng)景，可視距通信距離達(dá)到了300 m,DWM1000與MCU連接如圖3所示，即可以構(gòu)成一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2 處理器模塊

DWM1000無(wú)線傳輸模塊，因?yàn)闆](méi)有集成微處理器，只能被動(dòng)地工作，所有的工作內(nèi)容都要通過(guò)DWM1000上的SPI接口與外部的微處理器相連來(lái)控制。本文系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)MCU選用的是意法半導(dǎo)體公司推出的互聯(lián)型系類微控制器STM32F103RC，其使用高性能的ARMCortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置有高達(dá)128 KB的閃存和20 KB的SRAM，豐富的I/O端口和連接到APB總線的外設(shè)。還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C接口和2個(gè)SPI接口、3個(gè)USART接口、1個(gè)USB接口和1個(gè)CAN接口，本系統(tǒng)中主要用到的是MCU的SPI的接口，DWM1000作為一個(gè)從設(shè)備通過(guò)SPI掛載在MCU上。如圖4所示為MCU外圍電路。

圖3 DWM1000與MCU連接示意圖

圖4 MCU外圍電路

3.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了提高上位機(jī)和下位機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸速率，便于后續(xù)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展，本系統(tǒng)采用Nordic公司推出的高集成單片無(wú)線收發(fā)芯片nRF24L01，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和下位機(jī)之間數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。nRF24L01為單片射頻收發(fā)芯片，可以實(shí)現(xiàn)多對(duì)一的傳輸,無(wú)線傳輸距離遠(yuǎn)，其工作在2.4 GHz全球開(kāi)放的ISM頻段，與UWB的頻段不會(huì)產(chǎn)生相互干擾，工作速率最高可以達(dá)到2 Mb/s，片內(nèi)集成了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，采用高效的QFSK 調(diào)制，抗干擾能力非常強(qiáng)[9-10]。

時(shí)鐘晶振采用的是16 MHz的無(wú)源晶振，nRF2401采用的是單邊天線，天線的頻率和阻抗必須與射頻芯片匹配，以獲得最大的傳輸功率，減少不必要的損耗。天線的阻抗與射頻芯片不匹配，因此在外圍電路中接入了電感和電容等器件。nRF24L01芯片的外圍電路接口如圖5所示，nRF24L01芯片與MCU是通過(guò)SPI直連，有利于高低速單片機(jī)之間進(jìn)行通信。上位機(jī)中通過(guò)PC軟件中的串口驅(qū)動(dòng)程序讀取nRF24L01接收到的數(shù)據(jù)。

圖5 nRF24L01芯片的外圍接口電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用的開(kāi)發(fā)軟件為Keil公司的Keil uVision5，編程語(yǔ)言使用的是C語(yǔ)言，利用J-link進(jìn)行板級(jí)的調(diào)試，跑在MCU中的嵌入式軟件代碼主要實(shí)現(xiàn)錨節(jié)點(diǎn)到標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)TOA的測(cè)量，然后將獲得的信息通過(guò)nRF24L01傳送到我們的上位機(jī)。

嵌入式軟件代碼的信息處理沒(méi)有運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多線程，主要采用串行處理，單線結(jié)構(gòu)。其中主要有STM32的復(fù)位模塊、系統(tǒng)始終時(shí)鐘配置模塊、定時(shí)器配置模塊、SPI和uart讀寫模塊、中斷處理模塊，還有通過(guò)MCU的SPI初始化DWM1000的代碼塊，配置其內(nèi)部寄存器，使其工作在不同的模式。當(dāng)DWM1000無(wú)線收發(fā)芯片收到信號(hào)的時(shí)候，會(huì)通過(guò)SPI向MCU發(fā)送中斷請(qǐng)求，然后主程序中的中斷執(zhí)行程序會(huì)去判斷中斷的具體類型，接收數(shù)據(jù)的源地址，讀取數(shù)據(jù)TOA信息，然后將讀取的信息封裝通過(guò)nRF24L01發(fā)送給上位機(jī)。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用的是國(guó)外crazyfile團(tuán)隊(duì)采用Python和Qt編寫的開(kāi)源GUI(Graphical User Interface，圖形用戶接口)，全部代碼開(kāi)源，可以根據(jù)自己的想法進(jìn)行界面的裁剪。主要功能包括串口數(shù)據(jù)的讀取和錨節(jié)點(diǎn)位置顯示，Anchor的具體位置是用戶自定義，需要事先場(chǎng)地測(cè)量，填寫在客戶端，實(shí)時(shí)顯示Tag的位置。該上位機(jī)軟件內(nèi)嵌了改進(jìn)的TDOA算法和卡爾曼濾波算法，提高了定位精度。如圖6所示,紅色代表的是錨節(jié)點(diǎn)，綠色代表被定位的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)。

圖6 上位機(jī)示意圖

5 定位實(shí)驗(yàn)

在一間9 m×12 m的房間內(nèi)固定了4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，并選取錨節(jié)點(diǎn)2作為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)為A2(0,0)，錨節(jié)點(diǎn)1作為最初發(fā)射源，坐標(biāo)為A1(3,4)，剩余兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為A3(0,6)、A4(6,0);在x=y這條直線上選取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并完成記錄，記錄結(jié)果如表1所列。共進(jìn)行了9次待測(cè)點(diǎn)的測(cè)試，誤差在20 cm左右，可以滿足大部分的室內(nèi)定位的要求。

表1 定位系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

結(jié) 語(yǔ)

[1] 方震,趙湛,郭鵬,等. 基于RSSI測(cè)距分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007(11):2526-2530.

[2] Oksar I. A Bluetooth signal strength based indoor localization method[J]. International Conference on Systems， 2014:251-254.

[3] Figuera C, Rojo-A Lvarez J L, Mora-Jime Nez I, et al. Time-Space Sampling and Mobile Device Calibration for WiFi Indoor Location Systems[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing,2011,10(7):913-926.

[4] Caffery J J. A new approach to the geometry of TOA location[J].IEEE Vehicular Technology Conference, 2000(4):1943-1949.

[5] 王秀貞. 超寬帶無(wú)線通信及其定位技術(shù)研究[D].上海： 華東師范大學(xué), 2010.

[6] Gustafsson F, Gunnarsson F. Positioning using time-difference of arrival measurements[J]. IEEE International Conference on Acoustics， 2003(6).

[7] 閆瀟，張洪順，宋琦軍，等.擴(kuò)展卡爾曼濾波算法在UWB 定位中的應(yīng)用[J].通信對(duì)抗，2009(1)：26-28.

[8] 張桀, 沈重. 聯(lián)合TDOA改進(jìn)算法和卡爾曼濾波的UWB室內(nèi)定位研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2016, 39(13):1-5.

[9] Semiconductor N.Single Chip 2.4 GHz Transceiver nRF24L01 [EB/OL].(2007-07-01)[2016-12].http://www．nordicsemi.com．

[10] 宏晶科技.STC90C51/RD+系列單片機(jī)器件手冊(cè),2009．

王震(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。

UWB Indoor Positioning System Based on Improved TDOA Algorithm

Wang Zhen,Guo Jian

(Faculty of Physics and Optoelectronic Engineeing,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

In the paper,an indoor positioning system based on UWB wireless sensor network is proposed.the time difference is obtained through the interaction between the anchor node and the label node information,which is transmitted to the host computer by the nRF24L01.The host computer calculate the position of the target object using the improved TDOA algorithm and calman filtering algorithm,and is displayed in the computer.The experiment results show that the system ultimately makes the indoor positioning is about up to 20 cm or so,the system has anti-multipath capability and high stability,it provides more reference for the wireless sensor network positioning.

indoor location;UWB;multipath interference;Calman filter；TDOA algorithm

TN911.25

A

迪娜

2016-12-01)