STM32与UWB监控

发表于 2019-8-25 18:08

一直以来，室内定位技术一直被当作室外定位技术的补充。在室外定位中，一
般都是使用卫星定位系统，卫星定位精度也特别高;而UWB技术的出现，解决卫
星信号不能对室内物体进行定位的问题，使室内定位的精度达到了厘米级别。UWB
的技术优点，使人们在仓库物料定位、人员定位、室内导航购物等领域看到了非常
极大的应用前景。

发表于 2019-8-25 18:09

目前短距离无线通信技术主要包括无线局域网(WLAN)、Zigbee技术、蓝牙技术(Bluetooth、无线保真(WIFI、射频识别技术(RFID)和超带宽技术(UWB等。UWB(UltraWideband)是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的一种新型的无载波通信技术。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB可以在10米左右的范围内实现数据传输速率达到数百Mbit/s至数Gbit/s。所以，早期的UWB主要被开发者和研究人员应用于短距离高速数据传输的场合中。近年来，国外利用其亚纳秒级超窄脉冲，将它应用在近距离精确室内定位中，LocalSense无线定位系统就是其中的一个应用。

发表于 2019-8-25 18:09

UWB系统抗干扰能力强、传输速率高、带宽高、发射功率非常小。UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。与其他无线通信技术相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性[m;在短距离无线通信中，UWB的传输速率非常高，数据速率可以达到数百Mbit/s至数Gbit/s;UWB的基本带宽都在1GHz以上，有些高达几个GHz以上，拥有极宽的带宽;在通信时，UWB实现通信所需要的发射功率低于1mW以，这使得传输的信号强度不足以对其他的窄带设备造成干扰，且由于发射功率低，设备消耗的能量也非常低，因此，非常适合在移动设备中应用。

发表于 2019-8-25 18:11

由于GPS技术、GLONASS技术和我国的北斗卫星导航系统等在室外能实现精
确的定位，但在室内由于受到建筑物的阻挡、屏蔽等原因，导致GPS, GLONASS
和北斗导航系统无法在室内得到应用。因此，经过国内大量科学家的不断研究和探
索，室内无线定位技术被提出。室内无线定位主要利用现有的Zigbee、蓝牙、wifi ,
UWB等技术，通过网络中的节点互相交换信息实现实时定位。目前常用的定位方
法有6种，分别是信号强度(RSS)技术、信号到达角度测量(AOA)技术、到达
时间定位(TOA、飞行时间(TOF)和到达时间差定位(TDOA)等。Zigbee、蓝
牙、wifi等窄带无线信号是据信号强度来实现定位，由于窄带信号容易受到干扰，
该方法定位精度不高，但现今蓝牙、wifi信号覆盖范围广，非常容易获得，所以使
得应用起来非常方便。在高精度的室内定位方案中，UWB是应用最为广泛的。UWB
无载波的脉冲通信方式，使用的带宽非常高，功耗极低，对外产生的干扰极小，且
信号抗干扰能力非常强。在UWB的室内定位中，主要应用TDOA技术和TOF来实
现精确的室内定位。

发表于 2019-8-25 18:11

由于UWB被批准可用于民用，国内外开始对UWB的研究开发逐渐火热起来。
2003年12月，在美国新墨西哥州的阿尔布克尔市举行的IEEE有关UWB标准的大
讨论。关于UWB技术有两种相互竞争的标准，一方是以Intel与德州仪器为首支持
的MBOA标准，一方是以摩托罗位为首的DS-UWB标准，两者的分歧体现在UWB
技术的实现方式上，前者采用多频带方式，后者为单频带方式。摩托罗拉公司的
XtremeSpectrum芯片是摩托罗拉的第二代产品，目前己有样片提供，其数据传输速度
最高可达114Mbps，而功耗不超过200mw。而Intel公司近期在其开发商论坛上展
示了该公司第一个采用90nm技术工艺处理的UWB芯片。由于两种方案的截然不
同，而且各自都有强大的阵营支持，制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者
中决出最终的标准方案，于是将其交由市场解决。

发表于 2019-8-25 18:12

2012年8月，在深圳的国际物联网技术与技术应用博览会中，斑马技术公司推
出了他们公司研发的Dart UWB技术应用方案，该UWB定位方案凭借其传输距离
长、定位精度高和电池寿命长等特点，己经成功应用到交通物流、仓储物流、室内
人员定位等领域中。清研讯科(北京)科技有限公司也基于UWB技术，研发了
LocalSense⑧室内外无线定位系统，可以应用在室内人员定位上，且能将标签设备与
被定位的人员信息等相关联，可以实现对人员各种信息的采集和分析。

发表于 2019-8-25 18:13

实现红外线室内定位主要有2种方案，一种是室内安装大量的光学传感器，物
体上安装红外线IR标识来发射调制的红外线，光学传感器通过接收来自目标体上发
射过来的调制红外射线来对目标进行定位;另一种方法是在室内布置多对红外发射
器和红外接收器，形成一个密集的红外线网，目标进入该区域之后，被定位的移动
点就会被红外线网识别到，这种方式可以实现对移动点的实时定位。
红外线定位己经非常成熟，在室内定位中有非常好的效果，定位精度较高。但
是，红外线不能被阻挡，红外线的穿透性非常差，当红外线发射器被遮挡的时候就
没有办法正常工作，并且红外线对工作环境要求非常高，在室内非常容易受到环境
的影响。所以在实际应用中，需要在遮挡物上面安装发射器和接收器，甚至在室内
的每一个转角处都需要安装接收端和发射端，这使得布局非常复杂，相应成本大幅
提升，而获得的定位效果没有得到明显的改善。所以，红外线定位一般应用于记录
比较简单的物体的运动轨迹记录中，在复杂的室内环境中，红外线定位不具备太多
优势，往往不被采用。

发表于 2019-8-25 18:13

超声波室的原理是超声波测距，在被定位的物体上面安装一个主测距器A，在
室内安装若干个应答器Bo A向固定位置的B发射相同的超声波信号，B在接收到
了信号之后，立刻对A做出应答，A接收到了B的返回信号之后，根据反射式测距
法可以分别计算出被测物体和各个应答器之间的距离，通过使用三角定位等算法，
被测物体的位置坐标就可以被计算出来。超声波定位精度搞，结构简单，有一定的
穿透性和很强的抗干扰能力，但是在大区域定位中，超声波的衰减很厉害，并且超
声波反射的时候存在多路径效应，容易造成定位精度的缺失。

发表于 2019-8-25 18:14

蓝牙定位技术的是通过测量蓝牙之间的信号强度并计算来定位。蓝牙是一种低
功耗、短距离无线传输技术。在使用中，需要预先在区域中布置蓝牙信号点，通过
获取被测量物体的蓝牙信号强度值，通过将信号强度值转换成距离信息，便可以通
过特定的算法来计算位置信息。蓝牙的体积小，容易嵌入到被测物体上。在蓝牙室
内定位的应用中，理论上只要被测物体开启了蓝牙的功能，蓝牙定位系统就可以通
过测量信号值来计算出被测物体的具体位置信息。在室内短距离的定位中，蓝牙信
号通过电磁波传输，不受视距的影响。但在宽阔的环境中应用，由于采用的是信号
强度定位，而蓝牙的信号在较宽广的环境中，信号强度值表现不太稳定，容易受到
外界其他因素影响，所以测量出来的距离误差较大且经常呈现出不规律的距离变化，
所以，目前蓝牙室内定位只能应用在对人的小范围定位。

发表于 2019-8-25 18:14

WiFi室内定位的方式目前有2中主要的方式。一种是通过在固定点布置三个或
三个以上的固定WiFi接入点，通过测量新接入的移动WiFi设备的信号强度值，经
过差分计算，得出一个比较准确的定位结果，该方法和蓝牙的室内定位方案类似。
另一种定位方式是先事先记录确定位置点的信号强度值，保存在一个表格中，通过
测量将新接入的WiFi设备的信号强度值通过查表法就可以确认位置，这种定位方
式也被称为“指纹”定位。

发表于 2019-8-25 18:14

Zigbee技术是近期在国内外兴起的一种近距离、低复杂度、自组织、低功耗、
低数据速率的无线通信技术。主要应用在工业控制和智能家居中。在Zigbee网络中，
数据通过路由的方式从一个节点传送到另一个节点，中间可以经历多个节点的接力。
理论上，整个zigbee网络的节点容量可达到65536个，两个点之间的通信距离在80
到100米左右，所以，Zigbee网络可以定位的范围非常大。在室内定位的应用中，
Zigbee同样使用信号强度值来确定被定位节点的位置，一般被定位的节点在网络中
作为终端设备，其他固定的点作为路由，路由通过读取被定位的终端设备的信号强
度值，将信号强度传送至协调器中进行处理，可以计算出被定位点的位置信息[Ua}
但由于Zigbee工作在2.4G的固定信道中，在室内应用中容易和家庭中的Wi-Fi网
络信道相叠，且如果zigbee网络中节点数量较多，网络发出的众多同步心跳包也容
易造成信道拥堵，所以在定位中实时性不是特别理想。同时，Zigbee在进行信号传
输的过程中，信号质量还取决于信号源的密度、周围环境质量，这使得定位算法更
加复杂，定位精度不高。

发表于 2019-8-25 20:14

UWB定位技术相比于前面几种无线定位技术，是一种全新的定位技术，定位
的方式与前面的几种无线定位方式完全不同。UWB不需要使用载波进行通信，在
通信过程中通过直接发射纳秒或纳秒级以下的脉冲就能够直接进行数据传输，因而
UWB的信号带宽非常高，信号有很强的穿透力，同时功耗极低，系统复杂度也很
低。UWB在网络通信中有2种角色:Anchor和Tag，即锚节点和标签。在室内定
位的应用中，预先在被定位的区域中布置好固定的锚节点并确认记录位置，新进入
的标签节点通过和固定位置的锚节点分别进行数据通信，锚节点便可以获取双方通
信时信号的传播时间，从而计算出锚节点和标签之间的距离，通过“指纹”定位或
者三角定位的方式，便能确定标签在定位区域中的位置[[13-22]

发表于 2019-8-25 20:14

发表于 2019-8-25 20:16

本文主要研究一种可以应用在复杂的医院环境中的病人定位系统。在人员密集
且流动性大的场合中，红外线定位和超声波定位的方案在应用中极容易受到遮挡而
无法进行精确定位;蓝牙、Wi-Fi以及Zigbee的定位方式，信号强度值在人员密集
的情况下，衰减特别厉害，这使得软件算法需要花费大量的成本去计算，同样不适
用;而UWB技术提供的基于信号飞行时间来定位的方式，是一种全新的解决方案。
由于UWB信号穿透力强，信号在飞行的时候受到阻挡的影响比较小，在人员密集
的场所里面也同样可以使用。所以，考虑到人员定位的准确性，选择UWB技术作
为室内定位的技术。

发表于 2019-8-25 20:17

发表于 2019-8-25 20:17

DW1000是爱尔兰Decawave公司推出的一款符合UWB协议的无线收发芯片。
DW 1000是一个完全兼容IEEE802.15.4-2011协议的集成单片超宽带(UWB)收发器。
它可以通过双向测距法或使用到达时间差的算法，来提供高达10厘米精度的实时定
位。同是，它还支持高达6.8 Mbps的最大通信速率。

发表于 2019-8-25 20:18

发表于 2019-8-25 20:19

该芯片符合拥有以下特点:
(1)符合IEEE802.15.4-2011 UWB协议
C2)从3.SGHz到6. S GHz的频率之间，提供多达6个信道可供使用
(3)输出功率可通过编程来配置
C4)符合FCC&ETSI相关的要求
CS)支持2.8-3.6V的宽范围工作电压
C6)低功耗。睡眠模式电流位1 uA，深度睡眠模式下电流仅为SOnA
(7)提供110kbps, 850kbps和6.8Mbps三种通信速率
C8)针对高数据吞吐量的应用，提供了高达1023字节的最大包长度
C9)支持TWR测距和TDOA测距
C10)通过SPI接口和主控芯片进行通信
(11)小体积，芯片体积6mm*6mm, QFN48封装
C12)芯片外围仅需要极少的元件

发表于 2019-8-25 20:19

发表于 2019-8-25 20:22

DW1000由一个包含接收机和发射机的模拟前端和包含一个主机接口的后端处
理器组成。TX / RX开关是用于连接接收机或发射机的天线端口。同时，芯片还提
供温度和电压监控功能。
接收器包含一个信号进入基带前可将接收信号进行低噪声放大的射频前端。接
收器特别针对了宽带宽、线性化和噪声图进行了最优化。这使得每个支持的
IEEE802.15.4一2011标准的超带宽信道可以最小的噪声和失真的条件下进行向下转
换。基带信号被解析之后，主机可以通过SPI接口获得这些接收到的数据。
传输脉冲序列是通过数字编码传输数据模拟脉冲发生器生成的。脉冲序列是通
过一个双平衡混频器向上转换生成的，并将这个脉冲序列集中在一个符合
IEEE802.15.4一2011标准的超宽频通道上。被调制的射频波形在传输到外部天线之
前，还需要通过一个功放进行放大。

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