基于UWB 的可穿戴式人員定位設(shè)備設(shè)計(jì)與研究

王喆 周暢 刁攀

（1、黑龍江省儀器儀表專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，黑龍江 哈爾濱150070 2、飛亞達(dá)精密科技股份有限公司，廣東 深圳518057）3、哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

隨著時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)對(duì)于智能化生活生產(chǎn)的需求越來(lái)越高。人員定位目前有許多的方法，但是均具有較大局限。例如：WIFI 定位與藍(lán)牙定位均采用RSSI 進(jìn)行人員的距離估計(jì)。針對(duì)當(dāng)前主流的人員定位系統(tǒng)的算法和產(chǎn)品缺陷，設(shè)計(jì)了一套基于UWB 技術(shù)的可穿戴式人員定位設(shè)備。該設(shè)備充分利用了UWB 信號(hào)的特點(diǎn)，結(jié)合到達(dá)時(shí)間測(cè)距、三邊定位與小波去噪的算法，減小使用中的震動(dòng)、多徑對(duì)定位精度的影響，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的人員精確定位。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 UWB 測(cè)距原理

對(duì)穿戴UWB 手表或頭盔的人員進(jìn)行精度較高的定位，首先要實(shí)現(xiàn)測(cè)距。測(cè)距方案有很多，包括大概四大種類(lèi)：基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間（Time Of Arrival, TOA）、基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（Time Difference Of Arrival, TDOA）、基于信號(hào)衰減強(qiáng)度（Received Signal Strength, RSSI）、基于信號(hào)到達(dá)角度（Angle Of Arrival,AOA）。本文采用如下的雙向雙側(cè)測(cè)距進(jìn)行測(cè)距數(shù)據(jù)的采集。

圖1 雙側(cè)雙向測(cè)距方案

雙側(cè)雙向測(cè)距是由單側(cè)雙向測(cè)距演變而來(lái)的，該方法可以進(jìn)一步的減少測(cè)距誤差。它主要作用是消除同步時(shí)鐘帶來(lái)的限制。其示意圖如圖1。

其過(guò)程如下：設(shè)備A 發(fā)送一條信息，經(jīng)過(guò)Tprop時(shí)間后，設(shè)備B 將接收到這條消息。再經(jīng)過(guò)Treply1時(shí)間后，設(shè)備B 將發(fā)送一條回復(fù)信息，經(jīng)過(guò)Tprop時(shí)間后，設(shè)備A 將接收到此條信息。之后一定時(shí)間后，設(shè)備A 會(huì)再次發(fā)送一則信息，同樣經(jīng)過(guò)Tprop后，設(shè)備B 會(huì)接收到這條信息。上圖中，水平方向?yàn)闀r(shí)間方向，深顏色為DW1000 的接收與發(fā)送消息的時(shí)間戳。假設(shè)設(shè)備A 和設(shè)備B 之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以得到設(shè)備A 與設(shè)備B 之間得信息時(shí)間為T(mén)prop，而此時(shí)為了減少誤差，針對(duì)Tprop算法才是關(guān)鍵的。式子如下所示：

雙向雙側(cè)測(cè)距不需要兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行時(shí)鐘同步，它的噪聲來(lái)源是射頻芯片的時(shí)間戳精度、多徑影響、非數(shù)據(jù)影響，適合應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中。

1.2 UWB 三邊定位原理

三邊定位，即是利用三條邊長(zhǎng)度（實(shí)際中對(duì)應(yīng)為節(jié)點(diǎn)與標(biāo)定點(diǎn)的距離）進(jìn)行定位，也是本系統(tǒng)采取的定位方式。

x1,2,3,y1,2,3分別代表基站的坐標(biāo)位置，x,y 分別代表標(biāo)簽的位置坐標(biāo),d0.1,0.2,0.3代表標(biāo)簽與各個(gè)基站的距離，這個(gè)距離值由UWB的硬件設(shè)備測(cè)得，并會(huì)由基站匯總，測(cè)距方式采用上一節(jié)提到的TOA?？陕?lián)立式子：

在基站上求解以上的式子，可以解出標(biāo)簽的具體坐標(biāo)與位置。當(dāng)然，這只是最理想的情況，在實(shí)際應(yīng)用中，由于測(cè)距的波動(dòng)，坐標(biāo)的位置是一個(gè)模糊的區(qū)域而非定解，本文再次利用小波對(duì)結(jié)果進(jìn)行降噪，以獲取更加穩(wěn)定、精度更高的數(shù)據(jù)。

1.3 小波數(shù)據(jù)濾波原理

設(shè)有如下觀測(cè)信號(hào)

小波變換在降噪方面有如下特點(diǎn)：（1）小波變換是一種時(shí)頻局部化分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，而在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，適合室內(nèi)測(cè)距與定位信號(hào)中包含的震動(dòng)噪聲、多徑噪聲并展示其成份。（2）零均值白噪聲序列在小波變換下仍為零均值序列，并且在小波基下的系數(shù)序列仍為同方差白噪聲序列。（3）在含噪測(cè)距數(shù)據(jù)小波變換域中，測(cè)距信號(hào)的能量絕大部分集中在絕對(duì)值較大的小波系數(shù)中，噪聲成份能量則主要集中在絕對(duì)值較小的小波系數(shù)中。通過(guò)設(shè)定一個(gè)閾值，將低于某個(gè)閾值的小波系數(shù)置為零，而保存高于閾值的小波系數(shù)，經(jīng)過(guò)處理之后的小波系數(shù)就可以理解為基本上是由信號(hào)引起的，從而去除測(cè)距信號(hào)中的震動(dòng)與多徑干擾。

2 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能組成

該系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、基站、還有上位機(jī)組成，其中標(biāo)簽進(jìn)行可穿戴設(shè)計(jì)，將佩戴在需要定位的人員身上。基站固定在建筑物上，作為定位結(jié)算的基準(zhǔn)站，上位機(jī)可以查看基站的數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)掌握人員的定位數(shù)據(jù)?？纱┐魇綐?biāo)簽的主控芯片是整個(gè)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算力的硬件設(shè)備，本設(shè)備采用STM32 平臺(tái)進(jìn)行芯片控制，STM32 是ST 公司推出的微控制器，采用Cortex-M3 內(nèi)核、ARM-V7 架構(gòu)。在UWB 射頻芯片上，采用DW1000 芯片，DW1000 芯片是遵守IEEE802.15.4-2011 電氣規(guī)則的低功耗低成本UWB 通信芯片。它廣泛應(yīng)用于測(cè)距與定位領(lǐng)域，其極限的精度可以達(dá)到10cm。其原理圖如圖2 所示：

圖2 硬件電路方案

為了實(shí)現(xiàn)可穿戴，需要縮小設(shè)備體積，本文將DW1000 與STM32 集成到一塊小型的電路板上，該電路板長(zhǎng)6cm，寬3 厘米，可以直接集成到安全頭盔的頂部方便進(jìn)行穿戴。同時(shí)還進(jìn)行了手表式的硬件電路板設(shè)計(jì)，將上述電路板中的器件分布在板的兩側(cè)，最終使得電路板的體積進(jìn)一步縮小，可以嵌入手表的表盤(pán)中，直接佩戴在人員手上?；緞t采用正常體積設(shè)計(jì)，并且使用吸頂天線以擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍。（圖3）

圖3 硬件電路與外形方案圖

2.2 系統(tǒng)代碼實(shí)現(xiàn)

本文所述系統(tǒng)的軟件部分細(xì)分為三個(gè)部分，分別是：基站代碼、標(biāo)簽代碼、上位機(jī)代碼?；敬a將在四個(gè)基站的硬件上運(yùn)行，執(zhí)行基站設(shè)定的程序，及時(shí)接收標(biāo)簽的poll 信息幀、回復(fù)response 信息幀，并及時(shí)處理final 信息幀，基站最終會(huì)得出標(biāo)簽的定位結(jié)果；標(biāo)簽代碼將在標(biāo)簽硬件上運(yùn)行，標(biāo)簽首先的任務(wù)是發(fā)送poll 信息幀，然后就是等待response 的到來(lái)，并開(kāi)始發(fā)送final 信息，標(biāo)簽會(huì)配合基站通過(guò)UWB 信號(hào)進(jìn)行交互信息；上位機(jī)代碼將會(huì)運(yùn)行形成一個(gè)上位機(jī)，該上位機(jī)用于顯示接收基站的定位結(jié)果，并進(jìn)行一系列的可視化實(shí)現(xiàn)?；敬a的運(yùn)行流程如圖4 所示。

2.3 系統(tǒng)上位機(jī)處理

圖4 基站與標(biāo)簽程序運(yùn)行流程圖

使用QT Creater 進(jìn)行QT 上位機(jī)的開(kāi)發(fā)，上位機(jī)運(yùn)行采用信號(hào)與槽的機(jī)制，兼容Windows、Linux/X11、Mac OS X 等操作系統(tǒng)。QT Creater 的開(kāi)發(fā)界面簡(jiǎn)單，主要包括代碼編輯器、編譯器、以及一個(gè)可視化調(diào)試工具和外形設(shè)計(jì)師QT Designer。本文在QT 5.6.3 版本上進(jìn)行上位機(jī)制作，力求軟件穩(wěn)定可靠。上位機(jī)程序使用QWidget 生成文件框界面，把數(shù)據(jù)當(dāng)成功能，在QWidget上進(jìn)行顯示輸出出來(lái)。為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)框的多個(gè)切換，還使用了標(biāo)簽專(zhuān)屬控件。

3 功能測(cè)試與分析

本文進(jìn)行了一組模擬室內(nèi)UWB 標(biāo)簽電路板定位的實(shí)驗(yàn)，在此次實(shí)驗(yàn)中，使用一個(gè)UWB 標(biāo)簽與四個(gè)UWB 基站來(lái)進(jìn)行測(cè)距與定位實(shí)驗(yàn)。四個(gè)基站固定在四個(gè)位置，標(biāo)簽固定在多個(gè)點(diǎn)，并在各自的位置上進(jìn)行一定程度的晃動(dòng)，可以得到一組晃動(dòng)不光滑的曲線，以此模擬標(biāo)簽佩戴在人員身上的搖晃震動(dòng)。其測(cè)試圖如圖5 所示。

圖5 實(shí)際測(cè)試圖

由于標(biāo)簽情況類(lèi)似，本文將標(biāo)簽0 號(hào)的結(jié)果進(jìn)行展示處理。采集到的標(biāo)簽0 的x 軸和y 軸坐標(biāo)如圖6、7 所示，圖中淺色是采集到的原始數(shù)據(jù)，深色是降噪去除震動(dòng)后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖6 定位結(jié)果降噪圖（y 軸）

圖7 定位結(jié)果降噪圖（x 軸）

可以看到這時(shí)候的標(biāo)簽的位置已經(jīng)較為穩(wěn)定的在3220 附近波動(dòng)，與真實(shí)x 坐標(biāo)3200 接近，相比淺色結(jié)果，有了更高的穩(wěn)定性和精度。同理，y 軸也具有同樣的效果。

4 結(jié)論

本文研究了一種便攜可穿戴式UWB 設(shè)備，將該設(shè)備應(yīng)用到人員跟蹤、定位、監(jiān)視的實(shí)際場(chǎng)景中，不僅可以降低人員定位的成本，還能有效提升人員的定位精度與實(shí)時(shí)性。設(shè)備采用TOF分析方法實(shí)現(xiàn)對(duì)于人員與基站之間的厘米級(jí)測(cè)距，并利用三邊定位算法解算出人員相對(duì)于基站的高精度坐標(biāo)位置，同時(shí)本文提出的一種基于小波變換的降噪方法可在濾除誤差干擾的同時(shí)保留了幾乎全部的基本測(cè)距信息以及大部分的細(xì)節(jié)信息，在一定程度上明顯地改善了UWB 測(cè)距和定位數(shù)據(jù)質(zhì)量。該套可穿戴UWB 設(shè)備具有受環(huán)境影響小、定位測(cè)距精度高、天線關(guān)聯(lián)少等優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)需時(shí)間同步。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于可穿戴UWB技術(shù)的人員定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基站覆蓋范圍內(nèi)人員厘米級(jí)精確定位，可以促進(jìn)工業(yè)廠房、礦井、養(yǎng)老院等地的數(shù)字化建設(shè)水平，提高使用單位的管理效率。