一种基于UWB的离位告警装置

2018-08-09殷庆年袁赫

科学与财富 2018年18期

殷庆年　袁赫

摘要：现在很多需要对物体进行实时监管，防止重要物资丢失或盗窃，从而减少财产损失。本设计通过测距方式可以有效的解决物资监管问题。

关键词：UWB；测距；单片机；

在一般的应用场合，被监管的物体需要人员定时巡查，并需要进行记录，当被监管的物体数量比较多，同时物体又是运动状态的情况，巡查人员的工作量会很大，无法做到实时监控，并且会存在一定疏漏的几率，不仅增加了人工成本，同时也增加了财产损失的风险，在后期排查时也增加了难度。因此，对物体进行实时监管是十分必要的。

1.系统工作原理

本装置为整个测距系统的标签部分。测距系统由UWB基站、UWB标签以及监控计算机组成。当UWB标签处于在UWB基站的检测范围内，称为在位识别，UWB标签每次位移都与UWB基站进行测距工作，以确定UWB标签的距离范围，UWB获取距离信息后，通过网络发送给监控计算机。当UWB标签离开UWB基站监控范围后，UWB标签定时获取GPS坐标并通过GPRS网络发送给监控计算机，以确定目前标签的具体位置。

2.硬件设计

本装置硬件设计由主控制器、UWB测距单元、北斗定位单元以及电源控制单元组成。

2.1 主控制器

本标签主控制器采用ST公司的STM32L系列中的STM32L151RET6单片机。本控制器拥有512kBytes的Flash空间，运行RAM高达80Kbytes，主频最高32MHz，同时拥有多大6种功耗模式，可以在设定时间内以最低功耗完成任务。

2.2 UWB测距单元

UWB测距单元采用基于Decawave公司开发的DW1000芯片，本芯片兼容IEEE802.15.4-2011协议，拥有6个频带，中心频率在3.5GHz～6.5GHz，用于物体定位精度高达10厘米，数据传输数率高达6.8Mb/s，通信距离可达300米，在高衰弱环境下也可以进行可靠的通信，功耗低，适合电池供电。单片机与DW1000芯片使用SPI接口进行通信。

考虑到功耗，在测距单元里增加了运动传感器，在静止时标签处于休眠状态，只有在运动时才进行测距，以便节省功耗。运动传感器采用低功耗三轴加速度计ADXL362進行运动感知。当ADXL362检测到振动阈值超过设定值后，通过外部中断，将单片机从低功耗模式唤醒。ADXL362采用标准的SPI通讯接口，最高速率可达5MHz，同时当测量速率为6HZ左右时功耗低可至270nA，大大提升了装置中电池的续航能力。UWB测距单元电路原理见图1。

2.3 北斗定位单元

北斗定位单元采用上海移远MC20集成模块。MC20是一款集成LCC封装，四频段GSM/GPRS和先进算法GNSS引擎于一体的全功能通信模块，具有超小体积、低功耗、双卡单待等优势，同时还集成了北斗定位系统，因此能提供无线移动通信以及精准的导航定位功能。

单片机与MC20模块使用串口进行通信，并通过AT指令集对MC20模块进行控制，同时在硬件方面使用MOSFET管对MC20模块进行电源控制，当本标签在离开UWB基站监测范围后才打开电源开关，启动MC20模块，通过这样的设计可以很好的控制功耗，延长电池使用周期。

3.软件设计

软件设计难点主要在于UWB标签与基站的测距部分，在进行测距时，标签与基站双方均需要获得测量值，如何在最短的时间，以最少的通信次数来确定二者之间的距离是本部分的重点。本部分的软件测距采用TWR（Two Way Ranging）算法，本算法基于TOF（time-of-flight）测距原理，实现双边TOF测距。如下图2：

首先由节点A1发出start帧，基站A2接收到start帧后立即回应response帧，节点接收到response帧后，立即回应基站A2一条final帧，通过上述三次通信后，可获取一下公式：

（d1+d2）/2=S1

S1=T1×c

其中c为光速，T1为节点A1从发送start帧到接收到response帧所用时间，S1即为节点A1获取到的节点A1与基站A2之间的距离。

同样基站A2一侧公式为：

（d2+d3）/2=S2

S2=T2×c

其中c为光速，T2为基站A2从发送response帧到接收到final帧所用时间，S2即为基站A2获取到的节点A1与基站A2之间的距离。

因此，通过TWR双边测距算法可以使标签与基站都使用最少的通信次数来进行测距，具有效率高，精度高，降低整体功耗等优点。

4.结语

此装置得设计可以很好的解决一般场合的物体位置监控问题。本系统可以节省人力物力，方便维护，在线时间长，可做到24小时全天候监测。同时根据TWR测距算法可以快速准确的计算物体与基站之间的距离，具有效率高，节省功耗等优点。

作者简介：殷庆年，毕业院校为辽宁工程技术大学，电气工程及其自动化专业，现就职于奥维飞越通信有限公司，研究方向为物联网系统；袁赫，毕业院校为渤海大学，自动化专业，现就职于奥维通信股份有限公司，研究方向为自动控制。