CN107607909B

CN107607909B - 一种基于lf和uwb的室内定位方法及标签节点

Info

Publication number: CN107607909B
Application number: CN201710866214.0A
Authority: CN
Inventors: 李向阳; 屈新东
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: CN107607909A

Abstract

本发明公开了一种基于LF和UWB的室内定位方法及标签节点，采用LF和UWB双频TDOA定位技术，LF为从锚节点到标签节点的下行通信方式，UWB为从标签节点到锚节点的上行通信；锚节点通过LF方式动态配置表节点工作参数，标签节点通过UWB发送测量数据和工作状态；动态调整标签节点的发射功率，标签节点MCU根据LF通信中的RSSI来计算标签节点离最近锚节点的距离，当标签节点检测到有锚节点在附近一定距离内时，降低UWB发送功率，否则按照最大发射功率发送。本发明可以解决室内高密度标签节点布置和高功耗等问题。

Description

一种基于LF和UWB的室内定位方法及标签节点

技术领域

本发明涉及室内定位系统的移动标签节点技术领域，特别涉及一种基于LF和UWB的室内定位方法及标签节点。

背景技术

由于室内无法接受GPS等卫星定位信号，成熟的GPS定位技术不适合室内定位。目前常用的室内定位技术有红外线技术、超声波技术、蓝牙技术、无线局域网等，但这些技术存在其固有的缺陷，如红外和超声波技术不能超越墙壁，蓝牙和无线局域网技术定位精度低，而且不稳定，此外这些定位技术功耗也较大，很难实现低功耗高精度的室内定位。

UWB(Ultra-Wide Band，超宽带)技术因其频带宽、速率高、抗干扰能力强、定位精度高而在通信和定位中得到了应用，但是现有的基于TWR(Two-Way Ranging,双向测距)的UWB定位方法通信量大，一个定位系统内所支持的移动标签节点数一般少于8个，而且移动标签节点功耗较大，严重限制了其应用范围。

标签节点安装或者佩戴在需要定位的移动物体或者人员身上，标签节点与锚节点组成定位通信主体，锚节点一般是固定的，通过某种通信技术和定位算法通过固定锚节点的已知位置坐标来确定移动的标签节点的空间位置，从而确定移动物体或者人员的位置。

在实际应用中，为了提高标签节点与锚节点的通信距离，需要提高标签节点的UWB发射功率。但是，当标签节点采用大功率发射UWB数据时，若标签节点与锚节点的距离太近，由于锚节点UWB接收放大器饱和，锚节点反而接收不到标签节点发过来的有效数据，出现“灯下黑”情况，因此需要动态调整标签节点的UWB发射功率，避免出现“灯下黑”。

发明内容

本发明针对室内高密度标签节点和高功耗等问题，提出一种基于LF(LowFrequency，低频)和UWB双频通信机制的TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)室内定位方法，以及适合该方法的标签节点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于LF和UWB的室内定位方法，采用LF和UWB双频TDOA定位技术，LF为从锚节点到标签节点的下行通信方式，UWB为从标签节点到锚节点的上行通信；锚节点通过LF方式动态配置表节点工作参数，标签节点通过UWB发送测量数据和工作状态；

标签节点与锚节点之间的距离是动态变化的，需要动态调整标签节点的发射功率；标签节点MCU根据LF通信中的RSSI来计算标签节点离最近锚节点的距离，当标签节点检测到有锚节点在附近一定距离内时，降低UWB发送功率，否则按照最大发射功率发送；距离的计算公式如(1)式所示：

式(1)中，d为标签节点离最近锚节点的距离，P₁中为LF发射方的功率，单位为dbm，该值发射方通过数据包传给标签节点，RSSI为标签节点接收发射方数据包时的信号强度，从标签节点LF通信电路芯片内部寄存器读出，n与发送方LF线圈大小和安装方位有关，确定线圈大小和安装方式后，通过试验确定n。

优选的，标签节点的MCU采用间歇工作方式，部分时间处于睡眠状态，综合采用事件驱动和时间驱动方式唤醒MCU中的CPU，CPU唤醒之后完成相应事件处理和周期UWB数据发送；当有事件触发而发送UWB数据，则周期触发需等待下一周期再发送UWB数据，发送数据完成即进入睡眠状态。

优选的，标签节点的工作流程为：

Step501，当标签节点上电后，标签节点单片机启动，初始化I/O、缓冲内存和外设，标签节点LF通信电路和UWB通信电路芯片的配置初始化，以及读取EEPROM存储数据或用缺省数据初始化工作参数，之后启动RTC计时中断，并进入主程序循环；

Step502，根据状态数据表完成时间驱动、事件驱动处理，包括ADC采样和数据包类型的交替发送；若接收到LF信息，则要对LF通信进行处理回应，同时要检测锚节点LF信号的RSSI，计算出标签节点与该锚节点的距离；

Step503，查看是否需要发送数据；若不需要发送数据则转入Step507，否则转入Step504；

Step504，打包UWB数据包；

Step505，发送UWB数据包；

Step506，判断全部数据是否发送完毕，若是则转入Step507，不是则转到Step505；

Step507，配置下次的RTC周期唤醒时间，进入低功耗Stop模式；

当发生RTC周期唤醒中断或者外部中断时，标签从Stop模式唤醒然后转入各中断处理程序，更新状态数据表，对时间驱动和事件驱动进行标记，之后进入Step502进行处理。

优选的，LF通信的数据编码采用脉冲间隔编码，信号的编码由锚节点或发卡器的MCU通过软件的方式实现；LF通信写模式的数据格式，在常规的LF通信数据包的位流中，增加“1”和“0”双数字电平的参考脉冲，以此作为后续位流的解码依据，接收方据此自适应的校正数据，降低了误码率。

一种基于上述方法的标签节点，包括MCU电路2，以及分别与MCU电路2相连的电池与电源变换电路1、UWB通信电路3、LF通信电路4和表带断裂检测与报警电路5。

优选的，电池与电源变换电路1包括聚合物锂离子充电电池101、电压转换电路102、充电控制电路103；电压转换电路102转换电压作为电路的工作电压；充电控制电路103包括处理芯片及外围电路，采用恒流和恒压的充电管理模式对锂离子电池进行充电管理，充电控制电路实现外部电源对锂电池的有线充电。

进一步的，电池与电源变换电路1还包括LF接收限幅电路104；LF接收限幅电路104包括振荡电路和整流电路，将标签读写器和标签节点的谐振电路调到相同的振荡频率，采用谐振的方式由标签读写器将能量传送至标签，振荡电路接收标签读写器发出的信号并进行振荡产生交流电，将标签读写器的磁场信号转化为电信号，然后交流电经过整流管进行全波整流，通过滤波电容以及稳压管限幅之后，即可输出稳定的直流电为电池充；LF接收限幅电路104获得的能量在不影响LF通信前提下，也由充电控制电路把多余的电能存储在锂电池中，实现无线充电。

优选的，MCU电路2包括单片机和相关外围电路，单片机内部的EEPROM用于存储标签节点的节点编号和工作参数数据；MCU电路实现整个标签节点的LF数据收发、UWB数据发送、表带断裂检测与报警的管理和控制。

优选的，表带断裂检测与报警电路5采用单片机外部中断方式设计，表带断裂检测采用电阻分压连接MCU的I/O引脚，报警电路由一端接配置为上拉的MCU引脚和另一端接地的按钮组成，表带断裂或者按钮按下时，相应的MCU引脚的高低电平发生变化，从而触发MCU的I/O事件中断。

优选的，UWB通信电路3包括UWB电源电路301、UWB收发器及其外围电路302、Balun电路303和UWB天线电路304；UWB收发器采用DW1000，与MCU采用SPI接口。DW1000把MCU发来的数据封装并经UWB调制后发送；UWB接收器及其外围电路302通过SPI接口UWB_SPI、复位信号线UWB_RESET和唤醒信号线UWB_WAKE与MCU相连，MCU通过SPI口可完成DW1000参数的配置及其UWB信息的发送，通过UWB_RESET和UWB_WAKE信号线可实现DW1000的重置和唤醒；Balun电路303由两个LC组成平衡-不平衡转换器，将DW1000输出的差分信号转换为单端信号；UWB天线电路304采用的是UWB陶瓷天线。

优选的，LF通信电路4包括MCP2030及其外围电路，实现与标签读写器的LF数据通信；标签读写器为锚节点或者发卡器，发卡器通过LF通信配置标签节点的初始工作参数，锚节点通过LF通信动态修改标签节点的工作参数。

优选的，LF通信电路采用LF中断唤醒的方式进行工作，一旦检测到来自锚节点或者发卡器发来的特定LF序列时，将唤醒LF通信电路和MCU电路中的单片机接收LF数据。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)采用LF和UWB双频TDOA定位技术，提高了标签节点的密度，降低了标签节点的功耗。

(2)标签节点具有有线和无线两种充电方式，有线充电由外部5V接口输出，无线电能从LF中来。在保证LF正常通信的情况下，当标签节点接收的LF电压超出其接收器工作电压的部分可以对锂离子电池充电，实现LF限幅充电，该充电方式具有涓流充电特点，延长了锂电池使用寿命和续航时间。

(3)锚节点与标签节点的下行LF通信采用脉冲间隔编码方式，并且在数据包的位流前部加入“1”和“0”的参考电平脉冲，适合标签节点移动性的特性，提高了通信可靠性。

(4)标签节点采用低功耗运行机制设计，通过LF上升沿中断唤醒方式接收外部LF数据，综合采用时间驱动和事件驱动的方式实现向锚节点发送数据，保证了定位的实时性，同时保持低功耗。

附图说明

图1是实施例标签节点总体结构图；

图2是实施例电池与电源变换电路示意图；

图3是实施例UWB通信电路示意图；

图4是实施例LF通信写模式示意图；

图5是实施例软件主程序流程图；

图6是实施例RTC中断程序流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种基于LF和UWB的室内定位标签节点，如图1，本标签节点包括电池与电源变换电路1、MCU电路2、UWB通信电路3、LF通信电路4和表带断裂检测与报警电路5。采用LF和UWB双频TDOA定位技术，LF为从锚节点到标签节点的下行通信方式，UWB为从标签节点到锚节点的上行通信，特别适合双向通信量不对称的高密度标签节点的定位应用。锚节点通过LF方式动态配置表节点工作参数，标签节点通过UWB发送测量数据和工作状态。LF技术和UWB技术的结合减少了标签节点下行通信对UWB带宽的占有率，提高了标签节点密度和定位的实时性。

参见图2，电池与电源变换电路1包括聚合物锂离子充电电池101、电压转换电路102、充电控制电路103和LF接收限幅电路104。电压转换电路102采用TI芯片TPS62290，转换效率高达96％，通过该芯片DC/DC转换变为3.3V的电压，作为单片机等电路的工作电压。充电控制电路103利用BQ2057芯片及简单的外围电路设计成紧凑的充电控制电路，采用恒流和恒压的充电管理模式对锂离子电池进行充电管理。LF接收限幅电路104主要由振荡电路和整流电路组成，将标签读写器(标签读写器可以为锚节点或者读卡器)和标签节点的谐振电路调到相同的振荡频率125KHz左右，采用谐振的方式由标签读写器将能量传送至标签，振荡电路接收标签读写器发出的信号并进行振荡产生交流电，将标签读写器的磁场信号转化为电信号，然后交流电经过整流管进行全波整流，通过滤波电容以及稳压管限幅之后，即可输出稳定的直流电为电池充电。充电控制电路实现外部5V电源对锂电池的有线充电，同时LF接收电路获得的能量在不影响LF通信前提下，经限幅后也由充电控制电路把多余的电能存储在锂电池中，实现有线和无线双重充电。

MCU电路2由单片机STM32L052C8T6和相关外围电路组成，单片机内部2KB的EEPROM用于存储标签节点的节点编号和工作参数数据。MCU电路实现整个标签节点的LF数据收发、UWB数据发送、表带断裂检测与报警的管理和控制。

表带断裂检测与报警电路5采用单片机外部中断(EXTI)方式设计，表带断裂检测采用电阻分压连接MCU的I/O引脚，报警电路由一端接配置为上拉的MCU引脚和另一端接地的按钮组成，表带断裂或者按钮按下时，相应的MCU引脚的高低电平发生变化，从而触发MCU的I/O事件中断，MCU完成相应处理。

参见图3，UWB通信电路3由UWB电源电路301、UWB收发器及其外围电路302、Balun电路303和UWB天线电路304组成。UWB收发器采用DW1000，与MCU采用SPI接口。DW1000把MCU发来的数据封装为IEEE 802.15.4A格式并经UWB调制后发送。UWB电源电路301将VDD(3.3V)供电通过DC/DC降压稳压器转换为1.8V，用于DW1000内核供电，DW1000的I/O电路直接采用3.3V供电；UWB接收器及其外围电路302通过SPI接口UWB_SPI、复位信号线UWB_RESET和唤醒信号线UWB_WAKE与MCU相连，MCU通过SPI口可完成DW1000参数的配置及其UWB信息的发送，通过UWB_RESET和UWB_WAKE信号线可实现DW1000的重置和唤醒。Balun电路303由两个LC组成平衡—不平衡转换器，将DW1000输出的差分信号转换为单端信号；UWB天线电路304采用的是工作在3.2-7.2GHz频率范围具有良好增益的UWB陶瓷天线ACA-107-T。

LF通信电路4由MCP2030及其外围电路组成，实现与标签读写器(锚节点或者发卡器)的LF数据通信，LF数据采用125kHz频率，发卡器通过LF通信配置标签节点的初始工作参数，锚节点通过LF通信动态修改标签节点的工作参数。LF通信电路采用LF中断唤醒的方式进行工作，一旦检测到来自锚节点或者发卡器发来的特定LF序列时，将唤醒LF通信电路和MCU电路2中的单片机(STM32L052C8T6)接收LF数据，并检测锚节点的LF信号的RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示)，据此可粗略测出标签节点与锚节点的距离，当标签节点检测到有锚节点在附近2米内时，降低UWB发送功率，否则按照最大发射功率发送。当需要与发卡器进行信息交互时，控制器通过发送“钳通”和“钳断”命令对天线电压进行钳位操作，以负载调制的方式完成数据的反馈。LF通信的数据编码采用脉冲间隔编码，信号的编码由锚节点或发卡器的MCU通过软件的方式实现。LF通信写模式的数据格式参见图4，在常规的LF通信数据包的位流中，增加“1”和“0”双数字电平的参考脉冲，以此作为后续位流的解码依据，接收方据此自适应的校正数据，降低了误码率。为了尽可能减少电流消耗，MCP2030采用的是半电源工作的设计电路，使电路尽可能从磁场获取能量，不得已的情况下由电源供电，降低了标签的功耗。

图5是标签节点的软件主程序流程图，当标签节点上电后，单片机启动，进入Step501，初始化I/O、缓冲内存和外设，包括USART、SPI、按键I/O和表带的I/O等的初始化，MCP2030和DW1000芯片的配置初始化，以及读取EEPROM存储数据或用缺省数据初始化工作参数，之后启动RTC计时中断，并进入主程序循环。Step502根据状态数据表完成时间驱动、事件驱动处理，包括ADC采样和数据包类型的交替发送；若接收到LF信息，则要对LF通信进行处理回应，同时要检测锚节点LF信号的RSSI，计算出标签节点与该锚节点的距离。然后进入Step503，查看是否需要发送数据；若不需要发送数据则转入Step507配置下次的RTC周期唤醒时间，进入低功耗Stop模式，否则转入Step504打包UWB数据包，然后进入Step505发送UWB数据包；接着进入Step506判断全部数据是否发送完毕，若是则转入Step507，不是则转到Step505。当发生RTC周期唤醒中断或者外部中断(EXTI)时，标签从Stop模式唤醒进入Step511，然后转入Step512各中断处理程序，更新状态数据表，对时间驱动和事件驱动进行标记，之后进入Step502进行处理。

为了节省功耗，标签节点的MCU采用间歇工作方式，大多数时间处于睡眠状态(Stop模式)，MCU软件综合采用事件驱动和时间驱动方式唤醒MCU中的CPU，CPU唤醒之后(Active模式)完成相应事件处理和周期UWB数据发送。当有事件触发而发送UWB数据，则周期触发需等待下一周期再发送UWB数据，发送数据完成即进入睡眠状态。

由于标签节点的移动性，标签节点与锚节点之间的距离是动态变化的，为了保证可靠通信，需要动态调整标签节点的发射功率，避免锚节点接收UWB信号的接收器饱和。MCU根据LF通信中的RSSI来粗略估计标签节点离最近锚节点的距离，当标签节点检测到有锚节点在附近2米内时，降低UWB发送功率，否则按照最大发射功率发送。距离的计算公式如(1)式所示：

式(1)中，d为标签节点离最近锚节点的距离，P₁中为LF发射方(锚节点)的功率，单位为dbm，该值发射方通过数据包传给标签节点，RSSI为标签节点接收发射方数据包时的信号强度，从MCP2030芯片内部寄存器读出，n与发送方LF线圈大小和安装方位有关，确定线圈大小和安装方式后，通过试验确定n，一般约3.5。

图6为RTC中断程序图，通过RTC中断进入Step601进行软计时器计时，主要包括UWB发送周期计时器、电池电量测量周期计时器、表带和按键状态发送周期计时器计时；之后进入Step602进行判断是否有时间驱动任务，若有则进入Step603标记要驱动的任务，然后进入Step604完成中断返回，否则直接进入Step604实现中断返回。MCU采用这样的间歇的工作方式，在确保实时性的同时降低了功耗，采用1秒发送一次UWB数据时，MCU的运行时间与睡眠时间之比约1：2000，使得标签节点具有极低的功耗。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于LF和UWB的室内定位方法，其特征在于，采用LF和UWB双频TDOA定位技术，LF为从锚节点到标签节点的下行通信方式，UWB为从标签节点到锚节点的上行通信；锚节点通过LF方式动态配置表节点工作参数，标签节点通过UWB发送测量数据和工作状态；

标签节点与锚节点之间的距离是动态变化的，需要动态调整标签节点的发射功率；标签节点MCU根据LF通信中的RSSI来计算标签节点离最近锚节点的距离，当标签节点检测到有锚节点在附近一定距离内时，降低UWB发送功率，否则按照最大发射功率发送；

标签节点的MCU采用间歇工作方式，部分时间处于睡眠状态，综合采用事件驱动和时间驱动方式唤醒MCU中的CPU，CPU唤醒之后完成相应事件处理和周期UWB数据发送；当有事件触发而发送UWB数据，则周期触发需等待下一周期再发送UWB数据，发送数据完成即进入睡眠状态；

标签节点的工作流程为：

Step504，打包UWB数据包；

Step505，发送UWB数据包；

Step507，配置下次的RTC周期唤醒时间，进入低功耗Stop模式；

2.根据权利要求1所述的基于LF和UWB的室内定位方法，其特征在于，LF通信的数据编码采用脉冲间隔编码，信号的编码由锚节点或发卡器的MCU通过软件的方式实现；LF通信写模式的数据格式，在常规的LF通信数据包的位流中，增加“1”和“0”双数字电平的参考脉冲，以此作为后续位流的解码依据，接收方据此自适应的校正数据，降低了误码率。

3.一种基于权利要求1所述方法的标签节点，其特征在于，包括MCU电路，以及分别与MCU电路相连的电池与电源变换电路、UWB通信电路、LF通信电路和表带断裂检测与报警电路，MCU电路实现整个标签节点的LF数据收发、UWB数据发送、表带断裂检测与报警的管理和控制。

4.根据权利要求3所述的标签节点，其特征在于，电池与电源变换电路包括聚合物锂离子充电电池、电压转换电路、充电控制电路；电压转换电路转换电压作为电路的工作电压；充电控制电路包括处理芯片及外围电路，采用恒流和恒压的充电管理模式对锂离子电池进行充电管理，充电控制电路实现外部电源对锂电池的有线充电。

5.根据权利要求4所述的标签节点，其特征在于，电池与电源变换电路还包括LF接收限幅电路；LF接收限幅电路包括振荡电路和整流电路，将标签读写器和标签节点的谐振电路调到相同的振荡频率，采用谐振的方式由标签读写器将能量传送至标签，振荡电路接收标签读写器发出的信号并进行振荡产生交流电，将标签读写器的磁场信号转化为电信号，然后交流电经过整流管进行全波整流，通过滤波电容以及稳压管限幅之后，即可输出稳定的直流电为电池充电；LF接收限幅电路获得的能量在不影响LF通信前提下，也由充电控制电路把多余的电能存储在锂电池中，实现无线充电。

6.根据权利要求3所述的标签节点，其特征在于，MCU电路包括单片机和相关外围电路，单片机内部的EEPROM用于存储标签节点的节点编号和工作参数数据。

7.根据权利要求3所述的标签节点，其特征在于，表带断裂检测与报警电路采用单片机外部中断方式设计，表带断裂检测采用电阻分压连接MCU的I/O引脚，报警电路由一端接配置为上拉的MCU引脚和另一端接地的按钮组成，表带断裂或者按钮按下时，相应的MCU引脚的高低电平发生变化，从而触发MCU的I/O事件中断。

8.根据权利要求3所述的标签节点，其特征在于，UWB通信电路包括UWB电源电路、UWB收发器及其外围电路、Balun电路和UWB天线电路；UWB收发器采用DW1000，与MCU采用SPI接口，DW1000把MCU发来的数据封装并经UWB调制后发送；UWB接收器及其外围电路通过SPI接口UWB_SPI、复位信号线UWB_RESET和唤醒信号线UWB_WAKE与MCU相连，MCU通过SPI口可完成DW1000参数的配置及其UWB信息的发送，通过UWB_RESET和UWB_WAKE信号线可实现DW1000的重置和唤醒；Balun电路由两个LC组成平衡-不平衡转换器，将DW1000输出的差分信号转换为单端信号；UWB天线电路采用的是UWB陶瓷天线；

LF通信电路包括处理芯片及其外围电路，实现与标签读写器的LF数据通信；标签读写器为锚节点或者发卡器，发卡器通过LF通信配置标签节点的初始工作参数，锚节点通过LF通信动态修改标签节点的工作参数；LF通信电路采用LF中断唤醒的方式进行工作，一旦检测到来自锚节点或者发卡器发来的特定LF序列时，将唤醒LF通信电路和MCU电路接收LF数据。