CN107635283B - 一种室内高密度移动标签定位系统和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内高密度移动标签定位系统和定位方法，系统包括定位服务器、以太网交换机、同步时钟控制器、锚节点和标签节点；锚节点与标签节点之间采用LF和UWB双频通信方式，UWB实现从标签节点到锚节点的上行通信，LF实现从锚节点到标签节点的下行通信；定位服务器、同步时钟控制器和锚节点之间采用有线以太网通信，定位服务器、同步时钟控制器和锚节点分别与以太网交换机连接；同步时钟控制器连接各个锚节点，提供各个锚节点UWB收发电路时钟，并完成系统中所有锚节点之间的定位计时器同步。本发明结合了低频和UWB两者的优点，减少了UWB定位通信所需的带宽，同时降低了移动标签的功耗。

Description

一种室内高密度移动标签定位系统和定位方法

技术领域

本发明涉及室内移动标签定位技术领域，特别涉及一种室内高密度移动标签定位系统和定位方法。

背景技术

以卫星定位系统为主的室外定位技术已经非常成熟，由于室内无法接收到卫星定位数据，因而无法采用GPS和北斗等卫星定位技术，室内定位必须采用其它技术。超宽带(UWB,Ultra Wide Band)技术因其抗干扰能力强而在通信和定位中得到了应用，但是通常基于双向测距(TWR,Two-Way Ranging)的UWB定位方法通信量大、通信时需要知道双方(锚节点和移动标签节点)的地址等原因，使得TWR技术存在支持的移动标签节点的密度较小、定位所需时间较长和移动标签功耗较大等缺点，很难满足室内人员密度高、立体流动性强和房间密集的要求。

发明内容

本发明针对TWR不能适应室内高密度和高功耗等问题，提出一种室内高密度移动标签定位系统和定位方法，基于双向双频通信机制的到达时间差(TDOA，Time Differenceof Arrival)的定位方法，结合了低频(LF,Low Frequency)和UWB两者的优点，减少了UWB定位通信所需的带宽，同时降低了移动标签的功耗。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种室内高密度移动标签定位系统，包括定位服务器、以太网交换机、同步时钟控制器、锚节点和标签节点；锚节点与标签节点之间采用LF和UWB双频通信方式，UWB实现从标签节点到锚节点的上行通信，LF实现从锚节点到标签节点的下行通信；定位服务器、同步时钟控制器和锚节点之间采用有线以太网通信，定位服务器、同步时钟控制器和锚节点分别与以太网交换机连接；同步时钟控制器连接各个锚节点，提供各个锚节点UWB收发电路时钟，并完成系统中所有锚节点之间的定位计时器同步。

优选的，锚节点包括电源电路和MCU与存储器电路，以及与MCU与存储器电路连接的以太网物理层电路、LF发送电路、UWB收发电路和全局时钟与同步电路，UWB收发电路同时与全局时钟与同步电路相连接。

具体的，MCU与存储器电路采用Cortex-M3内核单片机和EEPROM存储器，单片机内含以太网MAC控制器和多个SPI接口，MCU与锚节点其余电路的连接以及MCU与存储器之间采用SPI接口连接，存储器存储锚节点的相关工作参数；以太网物理层电路由以太网物理层芯片及其外围电路组成，以太网物理层芯片连接外部以太网接口，它与MCU内部的以太网MAC控制器组成网络协议中IP层以下的部分，实现与定位服务器的以太网通信。

具体的，LF发送电路实现锚节点与标签节点的低频下行通信，LF通信采用脉冲间隔编码，MCU采用SPI接口的MOSI引脚输出串行数据；MOSI的LF输出数据通过功率管放大后驱动LF天线实现LF通信，发射信号。

具体的，全局时钟与同步电路通过电压比较器把5类双绞线的差分信号转换为TTL电平脉冲信号，电压比较器采用轨对轨低延时电压比较器。

具体的，UWB收发电路包括UWB电源电路以及依次相连的UWB收发器及其外围电路、Balun电路和UWB天线电路，UWB收发器及其外围电路包括有UWB_RESET和UWB_WAKEUP接口、4线SPI接口UWB_SPI、UWB_IRQ接口、UWB_SYNC接口和时钟信号UWB_CLK接口；锚节点MCU通过UWB_RESET和UWB_WAKEUP接口复位和唤醒UWB收发器、通过4线SPI接口UWB_SPI配置UWB收发器工作参数、读写其内部寄存器和收发通信帧信息；当UWB收发器接收到UWB数据时，通过UWB_IRQ接口以中断方式告知MCU；UWB收发器的本地时基计时器通过UWB_SYNC接口和时钟信号UWB_CLK接口完成重置和计数。

进一步的，Balun电路与UWB天线电路之间采用电容进行直流隔离。

优选的，UWB上行通信采用广播通信方式，UWB数据包中包含发送端的地址、流水号、LF接收信号强度、LF发送锚节点号和UWB发射功率；LF下行通信支持单播和广播通信方式，单播用于动态配置单个标签节点的工作参数，广播用于配置所有标签节点的工作参数；锚节点和标签都具有唯一的地址标示。

优选的，标签节点由电池供电，安装在固定位置的锚节点和系统中其它设备由市电供电；同时标签节点采用3-D天线和无线唤醒方式接收锚节点LF数据包，多余的LF能量可以存储并给标签节点充电；标签节点每隔一定时间间隔向锚节点发送一个UWB数据包，之后就立即进入睡眠状态。

一种室内高密度移动标签定位方法，包括以下步骤：

定位系统对未知坐标的移动标签节点定位需要坐标已知的4个定位锚节点和1个参考锚节点；设4个定位锚节点坐标：Anchor0的坐标为(0,0,0)，Anchor1的坐标为(x₁,y₁,z₁)，Anchor2的坐标为(x₂,y₂,z₂)，Anchor3的坐标为(x₃,y₃,z₃)；坐标已知的参考锚节点AnchorR的坐标为(x_r,y_r,z_r)；设τ₀、τ₁、τ₂、τ₃分别表示定位锚节点与同步控制器之间的时间延迟，t₀、t₁、t₂、t₃为定位锚节点的定位计时器瞬时值；

S1、同步阶段：定位服务器根据系统中锚节点的位置来配置锚节点的工作角色为定位锚节点或者参考锚节点，参考锚节点停止发送UWB数据包，而定位锚节点等待定位服务器命令，同时不断接收UWB数据；接着，定位服务器命令定位锚节点处于同步状态，当所有定位锚节点完成同步状态转换后，定位服务器通知同步时钟控制器发送同步信号，定位锚节点接收同步信号后完成其定位计时器初始化清零，之后定位锚节点报告定位服务器同步过程结束；当定位服务器接收到所有定位锚节点完成同步操作后后，系统的同步过程结束；

S2、学习阶段：定位服务器根据参考锚节点的坐标来确定定位锚节点与同步控制器之间的延时：

定位服务器命令参考锚节点按照一定发射频率发射UWB数据包；定位服务器命令定位锚节点接收UWB数据，当定位锚节点接收到UWB数据包后，在UWB数据包内容的尾部加上接收时刻的时间戳，即定位计时器的瞬时值，上传给定位服务器；根据同一参考锚节点的同一数据包被不同定位锚节点接收时的时间戳，定位服务器根据下式计算出每个定位锚节点定位计时器相对于同步时钟控制器的初始计时误差：

上式中，c为光速；(t₀-t₁),(t₀-t₁),(t₀-t₁)是定位锚节点接收参考锚节点的时间差；d_r0，d_r1，d_r2和d_r3分别定位锚节点与参考锚节点之间的距离，其中零号定位锚节点选为坐标原点，(d_r1-d_r0)，(d_r2-d_r0)，(d_r3-d_r0)是参考锚节点与不同定位锚节点之间的距离差；从而定位服务器根据上式计算出定位锚节点相对于同步时钟控制器的误差：(τ₁-τ₀)，(τ₂-τ₀)和(τ₃-τ₀)；

把该误差保存在定位服务器中，在定位阶段用于计算标签节点的位置；

S3、定位阶段：定位服务器命令参考锚节点停止发送UWB数据包、定位锚节点接收UWB数据；定位锚节点处理UWB数据包的过程与学习阶段相同，定位服务器根据同一标签节点的同一数据包被不同定位锚节点接收时的时间戳和定位锚节点的定位计时器的相对于同步时钟控制器的初始计时误差，分两步计算出每个标签节点的空间位置：

a计算标签节点k与4个定位锚节点之间的距离差：

式中，d_k0，d_k1，d_k2和d_k3分别为标签节点k与第0-4号定位锚节点之间的距离，(d_k1-d_k0)，(d_k2-d_k0)，(d_k3-d_k0)是标签节点k与定位锚节点之间距离的差；

b计算标签节点k的坐标：

p_k＝A^-1(Bd_k+C)

其中，

式中d₁₀，d₂₀和d₃₀是定位锚节点Anchor1、Anchor2、Anchor3与Anchor0之间的距离，是已知量，在整个定位系统部署的时候确定；据此可以确定移动标签节点的坐标(x,y,z)，实现定位系统对移动标签节点的定位。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)根据定位过程中锚节点和标签节点之间通信数据量的非对称性，从标签节点发送到锚节点的数据量远大于从锚节点发送到标签节点数据，采用UWB和LF双频上行和下行双单向通信机制，提高了定位移动标签节点密度。

(2)标签节点的下行LF通信机制采用无源唤醒且具有LF能量收集功能，降低了标签节点的功耗，延长电池续航时间，保证了标签节点的长期运行。

(3)具有有线全局时钟同步功能，在同步控制器配合下可实现各锚节点的UWB收发器DW1000之间的高精度时钟同步和计时器初始误差学习补偿，从而提高了定位精度。

(4)采用UWB技术对标签节点进行定位，穿透能力和抗多径干扰能力强，采用了只需单向UWB发送数据的高效TDOA定位算法，三维定位误差在30cm以内，保证了实时性和准确性。

附图说明

图1是实施例定位系统结构图；

图2是实施例锚节点结构图；

图3是实施例UWB电路原理示意图；

图4是实施例MCU主程序流程图；

图5是实施例管理线程流程图；

图6是实施例DW1000中断线程流程图。

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

参见图1，本定位系统主要由定位服务器、以太网交换机、同步时钟控制器、锚节点和标签节点组成。定位服务器、同步时钟控制器和锚节点之间采用有线以太网通信；同步时钟控制器提供各个锚节点UWB收发电路时钟和完成系统中所有锚节点之间的定位计时器同步；锚节点接收标签节点的UWB数据包，记录接收数据包时刻(时间戳)，并原数据包内容和时间戳重新打包传给定位服务器，由定位服务器运行定位算法完成以TDOA为基础的移动标签节点定位。

锚节点和标签都具有唯一的地址标示，锚节点与移动标签节点之间采用LF和UWB双频通信方式，UWB实现从移动标签节点到锚节点的上行通信，LF实现从锚节点到移动标签节点的下行通信。UWB频率为4GHz，LF频率为125KHz，UWB通信距离配置为60米，LF通信距离配置为3米，锚节点和标签都具有唯一的地址码。UWB上行通信采用广播通信方式，UWB数据包中包含发送端(即移动标签节点)的地址(4字节)、流水号(2字节)、LF接收信号强度(1字节)、LF发送锚节点号(4字节)和UWB发射功率(1字节)，共12字节，数据包极小，发送UWB数据时间约0.3毫秒，支持高密度移动标签节点部署。LF下行通信支持单播和广播通信方式，单播用于动态配置单个标签节点的工作参数(UWB数据包发射时间间隔等)，广播用于配置所有标签节点的工作参数，实际工作中，由于这些参数很少变化，LF通信量极少。

移动标签节点由电池供电，安装在固定位置的锚节点和系统中其它设备由市电供电，移动标签和锚节点的能量是非对称的。为了最大限度地延长移动标签节点的电池使用寿命，移动标签采用3-D天线和无线唤醒方式接收锚节点LF数据包，多余的LF能量还可以给标签节点充电；标签节点每隔一定时间间隔(如1秒)向锚节点发送一个UWB数据包，之后就立即进入睡眠状态，由于发送UWB数据包时间非常短，约0.3毫秒，占空比极低，因此标签节点耗能很小。标签节点发送UWB数据包的内容有UWB发射功率、标签工作状态、最近接收到的LF数据包的锚节点编号、本数据包流水号等。锚节点把接收到的标签节点数据加上该数据包的接收时间戳一起发给定位服务器，定位服务器根据已接收同一标签节点的同一数据包(具有相同流水号)的多个(一般要求四个以上)锚节点坐标和具有同步和学习功能的TDOA定位算法计算出移动标签节点的位置。

参见图2，锚节点主要由电源电路M201、MCU与存储器电路M202、以太网物理层电路M203、LF发送电路M204、UWB收发电路M205、全局时钟与同步电路M206组成。电源电路M201把外接的24V电源通过DC/DC转换器LM2677S-12和LM2676S-5分别高效地转换为12V和5V电压，12V用于给LF发送电路M204供电，5V电源给除M204之外的其它电路供电，各个模块内部再通过DC/DC和低压差线性稳压器LDO分别转换为该模块所需的3.3V和1.8V等不同电压等级的电压源，保证各个模块正常工作。锚节点采用的主要芯片有STM32F745(MCU)、DW1000(UWB收发器)和DP83848(以太网收发器)，成本低廉。MCU与存储器电路M202采用Cortex-M3内核单片机(MCU)STM32F745VE和EEPROM存储器25LC640，STM32F745VE内含以太网MAC控制器和6个SPI接口，方便实现锚节点各模块与MCU的连接，MCU与存储器之间采用SPI接口连接，存储器25LC640用于存储锚节点的地址、LF发送周期等工作参数。以太网物理层电路M203由以太网物理层芯片DP83848及其外围电路组成，DP83848连接外部以太网RJ45接口，它与MCU内部的片上外设MAC控制器组成网络协议中IP层以下的部分，实现与定位服务器的以太网通信。

锚节点的软件程序基于嵌入式实时操作系统FreeRTOS，采用消息驱动的机制；为了提高软件的实时性，针对以太网数据收发、125KHz的LF数据发送、DW1000数据收发设置三个数据处理用户线程；设置TCP客户端线程，它调用底层TCP/IP协议栈实现客户端/服务器连接并与定位服务器通过TCP/IP协议栈进行实时数据交换，TCP客户端线程采用消息队列机制与其它线程建立通信；设置管理主线程，用于配置锚节点工作角色(定位锚节点和参考锚节点)，并根据锚节点工作角色完成对UWB收发电路的配置，管理主线程还负责锚节点在同步状态、学习状态和定位状态之间切换；为了快速接收UWB数据，设置DW1000中断线程，处理UWB帧信息。

TCP/IP协议采用FreeRTOS实时操作系统和LwIP TCP/IP协议栈中间件实现，通信协议的应用层采用MODBUS/TCP实现，数据格式为MODBUS-RTU格式，以提高传输效率。LF发送电路M204实现锚节点与标签节点的低频下行通信，LF通信采用脉冲间隔编码，MCU采用SPI接口的MOSI引脚输出串行数据，采用SPI硬件接口来实现脉冲间隔编码可以减少脉冲间隔的时间误差、减少MCU中CPU的工作负荷。MOSI的LF输出数据通过工作电源为12V的功率管TC4421A放大后驱动LF天线实现LF通信，发射波形为由脉冲间隔编码调制的125KHz方波信号。全局时钟与同步电路M206通过电压比较器把5类双绞线的差分信号转换为TTL电平脉冲信号，电压比较器采用轨对轨低延时电压比较器ADCMP601。UWB收发电路M205的内部组成见图3。

参见图3，UWB收发电路由UWB电源电路M301、UWB收发器及其外围电路M302、Balun电路M303和UWB天线电路M304组成。UWB收发芯片为DW1000。UWB电源电路M301通过DC/DC转换器LXDC2HL18A和LDO芯片TPS73601及其外围电路将5V供电分别转换为1.8V和3.3V，为DW1000及其外围电路(指的是保证其正常工作的电阻和电容组成的滤波和工作模式配置电路等)供电。锚节点MCU通过UWB_RESET和UWB_WAKEUP复位和唤醒DW1000、通过4线SPI接口UWB_SPI配置DW1000工作参数、读写其内部寄存器和收发通信帧信息；当DW1000接收到UWB数据时，通过UWB_IRQ以中断方式告知MCU；DW1000的本地时基计时器通过UWB_SYNC和时钟信号UWB_CLK完成重置和计数。Balun电路M303采用HHM1595A1芯片，把差分UWB变为单端输出。UWB天线电路采用表面安装的陶瓷天线3100AT51A7200，Balun与天线之间采用12pF电容进行直流隔离。

当完成整个定位系统部署后，定位系统运行分成3个阶段，分别为同步阶段、学习阶段和定位阶段。定位系统对未知坐标的移动标签节点定位需要坐标已知的4个定位锚节点和1个参考锚节点。设4个定位锚节点坐标：Anchor0的坐标为(0,0,0)，Anchor1的坐标为(x₁,y₁,z₁)，Anchor2的坐标为(x₂,y₂,z₂)，Anchor3的坐标为(x₃,y₃,z₃)；坐标已知的参考锚节点AnchorR的坐标为(x_r,y_r,z_r)。设τ₀、τ₁、τ₂、τ₃分别表示定位锚节点与同步控制器之间的时间延迟，t₀、t₁、t₂、t₃为定位锚节点的定位计时器瞬时值。每个阶段的工作和算法如下：

同步阶段：

定位服务器根据系统中锚节点的位置来配置锚节点的工作角色为定位锚节点或者参考锚节点，参考锚节点停止发送UWB数据包，而定位锚节点等待定位服务器命令，同时不断接收UWB数据。接着，定位服务器命令定位锚节点处于同步状态，当所有定位锚节点完成同步状态转换后，定位服务器通知同步时钟控制器发送同步信号，定位锚节点接收同步信号后完成其定位计时器初始化(即清零)，之后定位锚节点报告定位服务器同步过程结束。当定位服务器接收到所有定位锚节点完成同步操作后后，系统的同步过程结束。

学习阶段：

学习过程是定位服务器根据参考锚节点的坐标来确定定位锚节点与同步控制器之间的延时，定位服务器命令参考锚节点按照每秒2个数据包的发射频率发射UWB数据包；定位服务器命令定位锚节点接收UWB数据，当定位锚节点接收到UWB数据包后，在UWB数据包内容的尾部加上接收时刻的时间戳(定位计时器的瞬时值)上传给定位服务器。定位服务器根据同一参考锚节点的同一数据包(具有相同流水号)被不同定位锚节点接收时的时间戳，定位服务器根据式(1)计算出每个定位锚节点定位计时器相对于同步时钟控制器的初始计时误差，并把该误差保存在定位服务器中，在定位阶段用于计算标签节点的位置。

式(1)中，c为光速，取299792458米/秒；(t₀-t₁),(t₀-t₂),(t₀-t₃)是定位锚节点接收参考锚节点的时间差；d_r0，d_r1，d_r2和d_r3分别定位锚节点与参考锚节点之间的距离，其中零号定位锚节点选为坐标原点，(d_r1-d_r0)，(d_r2-d_r0)，(d_r3-d_r0)是参考锚节点与不同定位锚节点之间的距离差，这些量都是根据它们的已知坐标可以计算出来的，从而定位服务器根据式(1)计算出定位锚节点相对于同步时钟控制器的误差(τ₁-τ₀)，(τ₂-τ₀)和(τ₃-τ₀)。

定位阶段：

定位服务器命令参考锚节点停止发送UWB数据包，以便减少标签节点UWB数据包冲突概率，进一步提高标签节点密度。定位服务器命令定位锚节点接收UWB数据，定位锚节点处理UWB数据包的过程与学习阶段相同。定位服务器根据同一标签节点的同一数据包(具有相同流水号)被不同定位锚节点接收时的时间戳和定位锚节点的定位计时器的相对于同步时钟控制器的初始计时误差，分两步计算出每个标签节点的空间位置。

第一步是按照式(2)计算标签节点k与4个定位锚节点之间的距离差

式(2)中，d_k0，d_k1，d_k2和d_k3分别为标签节点k与第0-4号定位锚节点之间的距离，(d_k1-d_k0)，(d_k2-d_k0)，(d_k3-d_k0)是标签节点k与定位锚节点之间距离的差，其它符号的意义与式(1)相同。

第二步是根据式(3)计算标签节点k的坐标。

p_k＝A^-1(Bd_k+C) (3)

其中，

式(3)中d₁₀，d₂₀和d₃₀是定位锚节点Anchor1、Anchor2、Anchor3与Anchor0之间的距离，是已知量，在整个定位系统部署的时候确定；据此可以确定移动标签节点的坐标(x,y,z)，实现定位系统对移动标签节点的定位。

图4为锚节点主程序流程图，MCU上电完成硬件初始化后进入Step401，MCU完成片上资源初始化，包括系统时钟、SPI、GPIO、中断和定时器等片上外设进行配置，以及工作变量的初始化。Step402读取外部EEPROM中的工作参数，并检验其有效性，若EEPROM中工作参数有效，则用这些参数初始化内存中的工作参数变量，之后MCU按照此工作参数运行；若读取EEPROM中的工作参数无效，则用默认的缺省工作参数代替，缺省的工作参数存储在MCU内部的Flash中，同时用缺省的工作参数替代外部EEPROM中无效的工作参数。Step403初始化片上以太网MAC控制内核、片外以太网物理层芯片、初始化LwIP轻量级TCP/IP协议栈。软件系统设置管理主线程、DW1000中断线程和TCP客户端线程。Step404创建管理主线程并分配栈空间和配置优先级，创建同步信号量和TCP客户端通信线程的消息队列。Step405创建TCP客户端线程并分配栈空间和配置优先级，创建与管理主线程通信的队列。Step406启动FreeRTOS实时操作系统的任务调度，将MCU的资源合理的分配给DW1000中断服务线程、TCP客服端线程。

锚节点的TCP客户端线程和管理主线程通过消息队列交换数据，DW1000中断线程与管理主线程之间通过共享内存交换数据。锚节点与定位服务器之间采用Client/Server通信模式，锚节点TCP客户端线程调用LwIP协议栈的API函数实现客户端与定位服务器建立TCP/IP连接和交换数据。应用层采用MODBUS/TCP协议，接收的MODBUS数据包解析之后以结构体消息的形式传给管理主线程通信，管理层线程完成消息队列的处理，包括重新配置EEPROM数据、发送LF数据等。管理层线程还把DW1000中断线程发到共享内存的数据打包成MODBUS帧，作为消息交由TCP客户端线程发送给定位服务器。

图5为管理线程流程图，进入该线程后，在Step501从EEPROM中读取锚节点工作角色，工作角色为定位锚节点或者参考锚节点。然后，进入Step502判断为参考锚节点则进入Step503，否则进入Step504。在Step503完成当为参考锚节点工作角色时的UWB工作任务，配置DW1000为发送状态，在同步状态和学习状态时周期地发送UWB参考数据包，其它状态不发数据包，之后进Step508。在Step504完成当为定位锚节点工作角色时的UWB工作任务，配置DW1000为接收状态，并读取工作状态；在Step505对读取的工作状态进行判断，若为同步状态，则进入Step506，否则进入Step507。在Step506配置DW1000为同步使能，在Step507完成同步去使能，之后都进入Step508。在Step508处理从参考锚节点或者标签节点发来的数据，完成UWB数据共享区的处理，维护TCP客户端发送消息队列，等待TCP客户端线程发送该队列中的数据，实现与定位服务器通信。锚节点处理TCP客户端接收消息队列中的消息，根据消息类型完成不同处理，包括(1)若为锚节点工作参数更新，则完成内存RAM中的参数变量更新和外存EEPROM中参数变量更新；(2)若为标签节点参数更新消息，则将参数信息放入LF发送缓冲区，锚节点周期发送LF缓冲区数据；(3)若为节点工作状态或者定位锚节点/参考锚节点工作角色更换，则更新相应状态变量，等待下一个线程执行周期完成相应功能。在Step509中检查LF发送同步信号量，若有LF发送定时器计数事件更新则检查LF发送缓冲区，如果无数据则发送LF探测帧，并调用SPI_DMA功能将编码后的二进制流信号发送到125KHzLF低频发送电路，最后跳转到Step501。

当DW1000接收到UWB数据包后，通过I/O向MCU发送中断请求信号，MCU启动DW1000中断线程完成DW1000接收数据处理。DW1000中断线程如图6所示，进入中断服务线程之后，在Step601判断DW1000的中断请求被响应，若没有中断发生则进入Step607，否则进入Step602。Step602调用DW1000的dwt_isr()中断函数，获得中断事件类型，若为除接收事件和时钟同步事件之外的其它事件，则进入Step607，否则分别进入Step605或者Step604。在Step605中调用SPI外设读取接收帧的负载、接收质量和时间戳信息，之后进入Step606作为生产者将读取的信息以结构体形式写入与TCP客户端之间的共享内存中。在Step604中禁止同步时钟，并配置DW1000寄存器失能同步功能。最后进入Step607检查外部DW1000中断请求信号线是否高电平，若为高电平则在中断线程运行时有新的中断请求发生并再次进入Step602。

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 (9)

1.一种室内高密度移动标签定位系统，其特征在于，包括定位服务器、以太网交换机、同步时钟控制器、锚节点和标签节点；锚节点与标签节点之间采用LF和UWB双频通信方式，UWB实现从标签节点到锚节点的上行通信，LF实现从锚节点到标签节点的下行通信；定位服务器、同步时钟控制器和锚节点之间采用有线以太网通信，定位服务器、同步时钟控制器和锚节点分别与以太网交换机连接；同步时钟控制器连接各个锚节点，提供各个锚节点UWB收发电路时钟，并完成系统中所有锚节点之间的定位计时器同步；

基于所述的室内高密度移动标签定位系统实现的室内高密度移动标签定位方法，包括：

定位系统对未知坐标的移动标签节点定位需要坐标已知的4个定位锚节点和1个参考锚节点；设4个定位锚节点坐标：Anchor0的坐标为(0,0,0)，Anchor1的坐标为(x₁,y₁,z₁)，Anchor2的坐标为(x₂,y₂,z₂)，Anchor3的坐标为(x₃,y₃,z₃)；坐标已知的参考锚节点AnchorR的坐标为(x_r,y_r,z_r)；设τ₀、τ₁、τ₂、τ₃分别表示定位锚节点与同步控制器之间的时间延迟，t₀、t₁、t₂、t₃为定位锚节点的定位计时器瞬时值；

S1、同步阶段：定位服务器根据系统中锚节点的位置来配置锚节点的工作角色为定位锚节点或者参考锚节点，参考锚节点停止发送UWB数据包，而定位锚节点等待定位服务器命令，同时不断接收UWB数据；接着，定位服务器命令定位锚节点处于同步状态，当所有定位锚节点完成同步状态转换后，定位服务器通知同步时钟控制器发送同步信号，定位锚节点接收同步信号后完成其定位计时器初始化清零，之后定位锚节点报告定位服务器同步过程结束；当定位服务器接收到所有定位锚节点完成同步操作后后，系统的同步过程结束；

S2、学习阶段：定位服务器根据参考锚节点的坐标来确定定位锚节点与同步控制器之间的延时：

定位服务器命令参考锚节点按照一定发射频率发射UWB数据包；定位服务器命令定位锚节点接收UWB数据，当定位锚节点接收到UWB数据包后，在UWB数据包内容的尾部加上接收时刻的时间戳，即定位计时器的瞬时值，上传给定位服务器；根据同一参考锚节点的同一数据包被不同定位锚节点接收时的时间戳，定位服务器根据下式计算出每个定位锚节点定位计时器相对于同步时钟控制器的初始计时误差：

上式中，c为光速；(t₀-t₁),(t₀-t₁),(t₀-t₁)是定位锚节点接收参考锚节点的时间差；d_r0，d_r1，d_r2和d_r3分别定位锚节点与参考锚节点之间的距离，其中零号定位锚节点选为坐标原点，(d_r1-d_r0)，(d_r2-d_r0)，(d_r3-d_r0)是参考锚节点与不同定位锚节点之间的距离差；从而定位服务器根据上式计算出定位锚节点相对于同步时钟控制器的误差：(τ₁-τ₀)，(τ₂-τ₀)和(τ₃-τ₀)；

把该误差保存在定位服务器中，在定位阶段用于计算标签节点的位置；

S3、定位阶段：定位服务器命令参考锚节点停止发送UWB数据包、定位锚节点接收UWB数据；定位锚节点处理UWB数据包的过程与学习阶段相同，定位服务器根据同一标签节点的同一数据包被不同定位锚节点接收时的时间戳和定位锚节点的定位计时器的相对于同步时钟控制器的初始计时误差，分两步计算出每个标签节点的空间位置：

a计算标签节点k与4个定位锚节点之间的距离差：

式中，d_k0，d_k1，d_k2和d_k3分别为标签节点k与第0-4号定位锚节点之间的距离，(d_k1-d_k0)，(d_k2-d_k0)，(d_k3-d_k0)是标签节点k与定位锚节点之间距离的差；

b计算标签节点k的坐标：

p_k＝A^-1(Bd_k+C)

其中，

式中d₁₀，d₂₀和d₃₀是定位锚节点Anchor1、Anchor2、Anchor3与Anchor0之间的距离，是已知量，在整个定位系统部署的时候确定；据此可以确定移动标签节点的坐标(x,y,z)，实现定位系统对移动标签节点的定位。

2.根据权利要求1所述的室内高密度移动标签定位系统，其特征在于，锚节点包括电源电路和MCU与存储器电路，以及与MCU与存储器电路连接的以太网物理层电路、LF发送电路、UWB收发电路和全局时钟与同步电路，UWB收发电路同时与全局时钟与同步电路相连接。

3.根据权利要求2所述的室内高密度移动标签定位系统，其特征在于，MCU与存储器电路采用Cortex-M3内核单片机和EEPROM存储器，单片机内含以太网MAC控制器和多个SPI接口，MCU与锚节点其余电路的连接以及MCU与存储器之间采用SPI接口连接，存储器存储锚节点的相关工作参数；以太网物理层电路由以太网物理层芯片及其外围电路组成，以太网物理层芯片连接外部以太网接口，它与MCU内部的以太网MAC控制器组成网络协议中IP层以下的部分，实现与定位服务器的以太网通信。

4.根据权利要求2所述的室内高密度移动标签定位系统，其特征在于，LF发送电路实现锚节点与标签节点的低频下行通信，LF通信采用脉冲间隔编码，MCU采用SPI接口的MOSI引脚输出串行数据；MOSI的LF输出数据通过功率管放大后驱动LF天线实现LF通信，发射信号。

5.根据权利要求2所述的室内高密度移动标签定位系统，其特征在于，全局时钟与同步电路通过电压比较器把5类双绞线的差分信号转换为TTL电平脉冲信号，电压比较器采用轨对轨低延时电压比较器。

6.根据权利要求2所述的室内高密度移动标签定位系统，其特征在于，UWB收发电路包括UWB电源电路以及依次相连的UWB收发器及其外围电路、Balun电路和UWB天线电路，UWB收发器及其外围电路包括有UWB_RESET和UWB_WAKEUP接口、4线SPI接口UWB_SPI、UWB_IRQ接口、UWB_SYNC接口和时钟信号UWB_CLK接口；锚节点MCU通过UWB_RESET和UWB_WAKEUP接口复位和唤醒UWB收发器、通过4线SPI接口UWB_SPI配置UWB收发器工作参数、读写其内部寄存器和收发通信帧信息；当UWB收发器接收到UWB数据时，通过UWB_IRQ接口以中断方式告知MCU；UWB收发器的本地时基计时器通过UWB_SYNC接口和时钟信号UWB_CLK接口完成重置和计数。

7.根据权利要求6所述的室内高密度移动标签定位系统，其特征在于，Balun电路与UWB天线电路之间采用电容进行直流隔离。

8.根据权利要求1所述的室内高密度移动标签定位系统，其特征在于，UWB上行通信采用广播通信方式，UWB数据包中包含发送端的地址、流水号、LF接收信号强度、LF发送锚节点号和UWB发射功率；LF下行通信支持单播和广播通信方式，单播用于动态配置单个标签节点的工作参数，广播用于配置所有标签节点的工作参数；锚节点和标签都具有唯一的地址标示。

9.根据权利要求1所述的室内高密度移动标签定位系统，其特征在于，标签节点由电池供电，安装在固定位置的锚节点和系统中其它设备由市电供电；同时标签节点采用3-D天线和无线唤醒方式接收锚节点LF数据包，多余的LF能量可以存储并给标签节点充电；标签节点每隔一定时间间隔向锚节点发送一个UWB数据包，之后就立即进入睡眠状态。

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