基于超宽带和远距离无线通信技术的室内高精度定位系统

技术领域

该发明涉及室内定位技术领域，尤其涉及基于超宽带和远距离无线通信技术的室内高精度定位系统。

背景技术

当前，室内定位技术正逐渐成为一个热点研究领域。因为室内无线信号的传播环境非常复杂，极易受到多径效应和非视距传输的影响，目前还没有形成一套非常成熟的研究方案。当前，室内定位主要有四种定位思路，分别是基于信号接收强度的RSSI(ReceivedSignal Strength Indication)定位算法、基于信号到达时间的TOA(Time of Arrival)定位算法、基于信号到达时间差的TDOA(Time of Arrival)定位算法、基于信号到达角度AOA(Angle of Arrival)定位算法。其中，TDOA无论是定位精度上还是在实现难度上都体现了其技术的优势。在通信技术上，研究人员采用了WiFi、ZigBee、蓝牙、超声波、红外线等多种无线通信方式。但是，由于定位精度低、功耗高等问题不能实现cm级的精确室内定位需求。

发明内容

针对上述背景技术中所存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于超宽带和远距离无线通信技术的室内高精度定位系统，用以解决现有技术中室内定位方式定位精度低、功耗高以及不能实现室内厘米级的精确定位需求的问题。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

基于超宽带和远距离无线通信技术的室内高精度定位系统，包括定位设备，所述定位设备按照信号传输的顺序包括感知层、采集层、数据层和应用层，所述感知层由若干标签和至少3个基站组成，所述标签位于待检测目标上，所述基站安装于室内固定位置，所述标签和基站通过UWB无线通讯技术记性测距和定位，所述采集层由数据集中器构成，所述基站与集中器之间采用LoRa无线通信技术实现定位数据的无线传输，所述数据层包括定位服务器，所述定位服务器接收到数据集中器的信号进行处理，所述数据集中器与定位服务器之间采用TCP/IP网络通信协议进行数据交互，所述应用层为用户操作端。

本技术方案的基本工作原理如下:标签在固定的时隙内发送超宽带信号，各定位基站截获此信号后获得接收信号的时间差，然后通过LoRa技术将时间差以无线方式传送至数据集中器，再由数据集中器通过以太网传输到定位服务器，最后由定位服务器调用优化TDOA定位算法对标签进行精确定位。

进一步限定，所述标签由电性连接的微控制器模块、UWB通讯模块、加速度传感器模块和电源管理模块组成。

进一步限定，所述基站由电性连接的主控制器模块、微控制器模块、电源管理模块、UWB通讯模块、Lora通讯模块1和Lora通讯模块2组成。

进一步限定，所述集中器由电性连接的主控制器模块、以太网模块、电源管理模块和Lora通讯模块组成。

进一步限定，所述定位服务器确定标签准确位置的方法如下：

A.标签在固定的时隙内发送超宽带信号；

B.各定位基站截获此信号后获得接收信号的时间差数据；

C.各定位基站通过LoRa技术将时间差数据以无线方式传送至数据集中器；

D.数据集中器通过以太网将时间差数据传输到定位服务器；

E.定位服务器调用优化TDOA定位算法对标签进行精确定位。

进一步限定，步骤B中的详细步骤如下：

b1.任意一个基站P先发送一个信号至任意一个标签O；

b2.基站P发送一个信号给其余基站，其余基站收到后均发送一个信号至标签O；

b3.(主语谁)记录下各个基站发出的信号到达标签O的时间为t1、t2、t3......tn；

b4.计算出各个基站到标签O的时间为t1、(t2-t1)、(t3-t1)......(tn-t1)。

进一步限定，所述定位服务器选取的优化TDOA算法方程组如下：

其中R

本技术方案的技术效果如下：(1)信号从基站出发后经过不同的路径到达标签，它们的起始时间是一致的，这样就实现了基站的时钟初始化同步，由于优化TDOA算法在算法层上实现了时钟同步，故而不需要部署网线或其它导线即可实现时钟同步，这就极大地提升了基站布局的灵活性。

(2)由于超宽带信号有着极高的时间分辨率，能够实现很高的定位精度，而且其功耗低、抗多径效果好、系统复杂度低，故而其和优TDOA算法的结合进行室内定位时，定位的精度相对较高，定位精度约为13cm，满足大多数场景的应用，能够弥补GPS、WiFi、蓝牙技术无法在室内进行高精度定位的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的系统架构示意图。

图2为本发明实施例的标签组成模块示意图。

图3为本发明实施例的基站组成模块示意图示意图。

图4为本发明实施例的数据集中器组成模块示意图。

图5为本发明实施例的TDOA标准算法双曲线模型图示意图。

图6为本发明实施例的优化TDOA定位网络拓扑图示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

具体实施过程如下：

如图1所示，系统整体架构设计为四层结构，从底层到上层分别为：感知层、采集层、数据层、应用层。感知层主要负责标签与基站之间UWB无线电的测距功能；采集层主要采用LoRa无线通信技术负责基站与数据集中器之间的信息交互；数据层利用TCP/IP网络实现与数据集中器的信息交互，并将数据存储于服务器中；应用层主要负责应用界面设计、定位算法实现、手机推送等功能，其主要包括系统应用软件、手机APP小程序、手机二维码等等。

从硬件设计上，系统主要由标签、基站、集中器、定位服务器组成。标签置于待测目标上，基站安装在室内固定位置，标签和基站之间通过UWB无线通信技术进行测距和定位，基站与集中器之间采用LoRa无线通信技术实现定位数据的无线传输，集中器与定位服务器之间采用TCP/IP网络通信协议进行数据交互。在本实施例中以4个定位基站组成的系统为例，理论上可以覆盖上万平米左右的范围，增加基站数可以进一步扩大定位范围。

如图2、图3和图4所示，标签由电性连接的微控制器模块、UWB通讯模块、加速度传感器模块和电源管理模块组成。基站由电性连接的主控制器模块、微控制器模块、电源管理模块、UWB通讯模块、Lora通讯模块1和Lora通讯模块2组成。集中器由电性连接的主控制器模块、以太网模块、电源管理模块和Lora通讯模块组成。

标签在固定的时隙内发送超宽带信号，各定位基站截获此信号后调用双边双程测距算法获得基站与标签之间的距离，然后通过LoRa技术将距离信息以无线方式传送至数据集中器，再由数据集中器通过以太网传输到定位服务器，最后由定位服务器调用优化TDOA定位算法对标签进行精确定位。因此，整套系统的工作流程主要由测距和定位两个部分组成，精确的测距算法是实现精确定位的前提和基础。

UWB定位的常用方法有基于到达时间的TOA算法、基于到达时间差的TDOA算法、基于到达角度的AOA算法、基于接收到信号强度指示的RSSI算法等。无论是从定位精度还是从实现的可行性考虑，TDOA定位方法都有明显的优势。因此，本系统采用TDOA作为UWB的定位算法。

TDOA标准算法

TDOA是一种利用时间差进行定位的方法，主要通过测量移动目标到达各基站的时间差确定信号源的位置。通过比较信号到达两个基站的时间差，可作出以这两个基站为焦点、距离差为长轴的双曲线。在二维空间内，通常只需三个基站即可得到两组双曲线。这两组双曲线一般有两个交点，排除不合逻辑的交点后剩余的一个交点就是信号在二维平面空间的实际位置。其双曲线模型图5所示。

根据TDOA双曲线模型，可列出下列方程组：

式中：(x

优化TDOA算法

在本实施例中采用4个基站，分别为基站1、基站2、基站3和基站4，优化TDOA算法通过无线方式来进行时钟同步，使得基站间的时钟同步变得更加容易。相对传统有线的方式，无线同步使得基站布局的灵活性大大增强。优化TDOA算法定位网络拓扑图6所示，

优化TDOA算法方程组如下：

由于优化TDOA算法在算法层上实现了时钟同步，故而不需要部署网线或其它导线即可实现时钟同步，这就极大地提升了基站布局的灵活性。综上所述，在本设计方案中采用的是优化TDOA算法。

系统硬件设计

从硬件设计上，系统主要由标签、基站、集中器、定位服务器组成。系统的主控制芯片采用STMicroelectronic公司的STM32F105RC微控制器芯片，UWB无线通信模块主要采用半导体公司DecaWave公司DM1000射频芯片,LoRa无线通信模块采用Semtech公司的SX1276射频芯片。在电路设计中，基站和集中器都可以完成UWB测距功能，集中器比基站增加连接定位服务器功能。为提高空间数据传输的稳定性，集中器和基站采用两块RoLa无线通信模块，一块专用于发射，一块专用于接收，从而有效减少无线传输的数据误码率。

主控制芯片

系统主控制模块采用STM32F105RC芯片，其使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达256K字节的闪存和64K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和连接APB总线的外设。器件包含两个I2C接口、三个SPI接口、一个USBOTG全速接口、五个USART接口和两个CAN接口，两个12位的ADC和四个通用16位定时器。本系统中主要用到的是MCU的SPI的接口,DW1000作为一个从设备通过SPI总线挂载在MCU上。

UWB无线通信芯片

UWB无线通信芯片采用decaWave公司生产的DW1000芯片，它是一款符合IEEE802.15.4-2011标准的低功耗通信芯片。DW1000采用的是90nm的CMOS工艺,数据传输支持110kbps，850kbps和6.8Mbps的数据速率,可以工作在3.5GHz至6.5GHz的6个频段。由于脉冲持续时间非常短,带宽比较宽,时间分辨率良好,因此抗多径能力强,非常适合室内这种环境非常复杂的场景。同时，DW1000能够处理严重的多路径环境，非常适合高度反射的射频环境,其视距通信距离达到300m。使用TOA算法或到TDOA算法，可以将距离检测精确到10厘米。

LoRa无线通信芯片

LoRa是一种将扩频通信应用在Sub1Ghz的无线通信技术，其工作频率为433MHz。LoRa通信采用扩频通信技术来高接收灵敏度。LoRa还具有较远的的通信距离，在视距范围内达到5Km。由于传输距离增加，可以大幅减少中继器的使用，简化系统设计，从而大幅降低成本。SX1276是Semtech公司推出的一款低功耗，长距离，收发功能的无线芯片。其采用的扩频调制解调器，能够接收比现存的基于FSK或OOK调制的系统更长的频谱范围。

系统软件设计

本系统中采用的嵌入式开发软件为KeiluVision5，编程语言使用的是C语言。嵌入式软件代码主要实现系统初始寄存器设置及测量标签到两个基站飞行时间差，再用飞行时间差乘以电磁波在真空中的速度即得到标签与两个基站之间的距离差，然后由基站将距离差信息通过LoRa无线通信模块传送到集中器，再由集中器传输给定位服务器，采用TDOA定位算法完成标签定位功能。上位机软件采用采用微软公司开发的WPE框架，使用C#编程语言完成用户界面的设计，实现与数据集中器的数据交互，对TDOA定位算法进行优化，基站状态显示，软件的配置管理，最终完成标签的精确定位。

实验与分析

实施例选择一间10m×13m的矩形房间作为测试场地，房间内预先固定了4个定位基站，房间里不放置遮挡物以尽量减少NLOS对测量精度的影响。测试时，移动标签随机移动，实验记录下标签的具体定位坐标，并将每个点的定位结果和实际坐标进行比对，计算出误差值，从中选取了10个典型位置进行分析，实验结果表明，测试误差最小值为8cm，最大值18cm，平均误差13cm。测试过程中没有出现无定位或偏差较大的情况，说明系统具有较好的稳定性。

本发明基于超宽带技术和远距离无线通信技术构建了一套室内无线定位系统，采用DW1000UWB通信芯片完成室内的精确定位功能，采用SX1276Lora通信芯片完成定位数据传输，解决了定位基站布线复杂、成本较高的问题。系统采用优化TDOA无线定位算法，并针对系统进行代码优化，实现室内的定位功能。经测试，定位精度大约13cm，满足大多数场景的应用，能够弥补GPS、WiFi、蓝牙技术无法在室内进行高精度定位的问题。

需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。