UWB室内无线同步的定位基站系统设计

UW B室内无线同步的定位基站系统设计

武志凯，刘宾

(中北大学信息与通信工程学院，太原030051)

摘要：针对UW B室内定位系统中有线同步方式存在时钟电路设计困难㊁现场布线复杂且硬件成本较高的问题，提出采用基站间无线同步的方式，服务器只需发送一次定位指令，基站间就可进行定时同步，简化了同步机制，降低了系统的硬件成本，减轻了服务器与基站间的网络通信负荷；针对现有的基站大多采用串行主控芯片进行定位数据和其他功能子模块的控制与处理，造成处理效率低下㊁不能满足高密度标签实时定位需求的问题，提出采用F P G A作为基站主控芯片，不同功能同时并行执行，提升了基站的处理速度和工作效率㊂实际测试结果表明，该基站系统操作简便㊁运行稳定㊁定时精准，具有较高的实际价值㊂

关键词：室内定位;UW B;F P G A；无线同步

中图分类号:T N925文献标识码:A

D e s i g n o f I n d o o r W i r e l e s s S y n c h r o n i z a t i o n P o s i t i o n i n g B a s e S t a t i o n S y s t e m B a s e d o n U W B

W u Z h i k a i,L i u B i n

(S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d C o mm u n i c a t i o n s E n g i n e e r i n g,N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a,T a i y u a n030051,C h i n a)

A b s t r a c t:I n t h e c a b l e s y n c h r o n o u s l y i n UW

B i n d o o r p o s i t i o n i n g s y s t e m i s d i f f i c u l t,c o m p l i c a t e d f i e l d w i r i n g a n d h a r d w a r e c l o c k c i r c u i t d e s i g n t o t h e p r o b l e m o f h i g h c o s t,t h e m e t h o d o f w i r e l e s s s y n c h r o n i z a t i o n b e t w e e n b a s e s t a t i o n s i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r,t h e s e r v e r s i m p l y s e n d s a p o s i t i o n i n g i n s t r u c t i o n,b e t w e e n t h e b a s e s t a t i o n c a n b e f o r t i m e s y n c h r o n i z a t i o n,s i m p l i f y t h e s y n c h r o n i z a t i o n m e c h a n i s m, r e d u c e t h e h a r d w a r e c o s t o f t h e s y s t e m,a n d r e d u c e t h e n e t w o r k c o mm u n i c a t i o n b e t w e e n t h e s e r v e r a n d t h e b a s e s t a t i o n l o a d.I n v i e w o f t h e e x i s t i n g b a s e s t a t i o n m o s t l y a d o p t s s e r i a l m a s t e r c o n t r o l c h i p p o s i t i o n i n g d a t a a n d o t h e r f u n c t i o n s o f c o n t r o l a n d p r o c e s s i n g m o d u

l e, p r o c e s s i n g e f f i c i e n c y i s l o w,c a n't m e e t t h e d e m a n d o f h i g h d e n s i t y l a b e l r e a l-t i m e p o s i t i o n i n g p r o b l e m,p u t f o r w a r d u s i n g F P G A a s t h e b a s e s t a t i o n m a s t e r c o n t r o l c h i p,d i f f e r e n t f u n c t i o n e x e c u t e d i n p a r a l l e l a t t h e s a m e t i m e,i m p r o v e t h e p r o c e s s i n g s p e e d a n d e f f i c i e n c y o f t h e b a s e s t a t i o n.T h e p r a c t i c a l t e s t s h o w s t h a t t h e b a s e s t a t i o n s y s t e m i s e a s y t o o p e r a t e,s t a b l e i n o p e r a t i o n a n d a c c u r a t e i n t i m i n g,w h i c h h a s g r e a t p r a c t i c a l v a l u e.

K e y w o r d s:i n d o o r p o s i t i o n i n g;UW B;F P G A;w i r e l e s s s y n c h r o n i z a t i o n

引言

近年来，随着博物馆㊁变电站㊁养老院和大型商场等人

员或设备密集型场所对获取室内人员或一些重要设备和

物品实时位置信息的迫切需求，对高精度㊁高密度㊁环境复

杂的室内定位系统的研发显得尤为重要[1-4]㊂UW B技术以其抗干扰能力强㊁时间戳分辨率高以及带宽资源丰富等

特性，在室内环境复杂㊁标签数量多的环境下得到了越来越

广泛的应用[5-6]㊂现有的室内定位系统通常采用M C S51或S T M32为主控芯片，通过有线同步的方式进行时钟同步㊂一方面，定位系统需要设计专门的时钟同步电路，增大了系统的硬件成本；另一方面，在标签数量大㊁定位数据上传速率快的情况下，会造成基站处理速度与标签上传速度无法匹配的问题[7-8]㊂本文针对上述问题，采用F P G A

为主控芯片，通过并行架构对各模块进行并行处理，大大降低了接收标签定位信息所需用的时间，提高了单位时间内的接收标签数量；采用无线同步的方式对同一区域内的基站进行时钟同步，降低了系统网络信道的通信负荷，减少了系统的硬件成本，使整个定位系统更加方便灵活，易于推广㊂

1系统总体设计

该系统主要由主控模块㊁UW B定位模块㊁无线数传模块㊁网络接口模块和相机模块构成㊂采用无线同步的方式实现了基站间的时钟同步㊂基站在定位窗口期内接收到标签发送的定位信息后，上传到服务器，通过T D O A算法对其进行定位；无线数传模块采用443M无线信道与标签进行通信，实现电子围栏示警和一键S O S求救的功能;

相机模块通过前端摄像头采集该区域内的实时图像，实现了指定区域内人员行为实时显示的功能㊂系统设计框图如图1所示

㊂

图1

基站系统设计框图

图2 基站定位功能流程图

2 无线同步理论分析

基于UW B 时间戳信息的定位方式有两种，分别是双

向测距(TWR ,T w o W a y R a n g i n g )

和时间差定位技术(T D O A ,T i m e D i f f e r e n c e o f A r r i v a l

)[9-10]

㊂通常基于TWR 的T O A 定位方法通信量大，使其存在支持移动标签节点数量较少㊁定位时间间隔和移动标签功耗较大的问题，很难满足室内人员密度高㊁立体流动性强和房

间密集等应用需求[11]

㊂针对上述问题，本系统采用

上行T D O A 定位方式，标签按照设定频率上传定位信息㊂基站同步完成后进入监听标签上传的定位信息状态，接收到标签发送的定位信息后，将时间戳信息上传给服务器，采用T D O A 算法对其进行

定位㊂该定位方式在节约UW B 信道宽带资源的同时，提高了待定位标签的密度和定位实时性，适合应用在高密度的室内定位场合㊂

T D O A 定位系统中基站之间的超宽带时间需

要进行高精度同步，可分有线和无线两种方式，有线方式一般采用C A T 5电缆传输全局时钟和同步信号到各个锚节点超宽带收发器，使得每个节点的超宽带时间计时频率保持严格一致，无线方式一般通过参考基站向普通基站广播发送超宽带无线信号，普通基站接收到同步帧后保存对应的同步时间戳信息，通过不同基站间的距离信息，进而实现时间同步，这两种同步方式的优劣势如表1所列㊂

由表1可知，两种同步方式各有其优劣势㊂考虑到在实际应用中布线困难与高精度时钟同步电

路设计困难的问题，本系统采用无线同步方式对基站进行时钟同步㊂当某一区域内进行定位功能时，服务器向该区域内的所有基站发送定位指令㊂接收到定位指令后，该区

域内的普通基站转为接收同步帧状态，此时参考基站定时向其他基站发送同步帧信息㊂区域内普通基站通过片上处理算法滤除此时间片内可能出现的其他标签定位帧信息，在接收到同步帧信号并记录同步帧到达时间戳信息后，转为监听标签上传的定位帧信息状态，接收到标签发送的定位帧信息后，基站将此次同步帧的时间戳信息和标签定位帧信息进行上传，完成单次定位监听过程㊂具体流程图如图2所示㊂

3 基站子模块设计

3.1 主控模块

本系统中基站主要负责与服务器㊁

表1 有线同步和无线同步方式差异

方式优势

劣势有线同步方式

时间同步精度高，基站之间的

时间偏差稳定硬件电路现场布线复杂

无线同步方式

系统硬件成本较低

时间偏差不稳定，且需频繁同步

标签和参考基站之间的信息交互和基本信号处理工作㊂为了保证系统能够正常运行，基站的中央处理单元必须具有较高的主频和较强的运算能力，从而保证以太网协议栈的快速运行，提高基站E t h e r n e t 网数据包的吞吐能力；实现超宽带收发事件快速处理的实时响应，为分布式处理UW B 定位特征信息提供基础㊂F P G A 支持复杂时序逻辑控制，可以实现定位系统中基站的所有工作，并且F P G A 为并行处理系统，可以方便后续功能的并行扩展㊂

因此，本系统采用赛灵思公司的S p

a n t a n 6系列F P G A ，型号为X C 6S L X 45,

内含丰富的逻辑资源，可用R AM 存储资源为2088K B ,

满足大量数据的存储需求；可用I /O 接口为218个,

满足多个模块接口的要求；输入时钟为19~250MH z ，最大主频可通过P L L 倍频至

0.94G H z

，满足高速处理数据的需求㊂3.2 U W B 定位模块

本系统中UW B 模块采用D e c a W a v e 公司生产的

DWM 1000芯片模组进行超宽带无线通信㊂该模块集成了内置天线及相应的射频电路和时钟电路㊂其中，时钟电路由输出精度为1p p

m 的38.4M 有源温度补偿晶振，为DWM 1000内部提供高精度的稳定时钟源㊂由于晶振对电源噪声比较敏感，因此，本系统采用L D O (线性稳压电源)为其提供供电电压，为整个模块工作稳定提供良好的电源电压㊂主控芯片可作为主机，通过S P I 协议与其进行数据交互,DWM 1000通过更新中断寄存器中的中断标志位来通知主控芯片各类事件的发生㊂主控芯片与DWM 1000数据交互时序图如图3所示

㊂

图3 D WM 1000数据交互时序图

DWM 1000模块中数据传输速率分为110k b p

s ㊁850k b p s 和6.8M b p

s ，其数据打包时间和支持标签数量如表2所列㊂

表2 不同传输速率的打包时间和标签容量

速率

打包时间支持标签数量

110k b p s 3.042m s 59.2

850k b p

s 380.3μs 473.4

6.8M b p s 103.3μ

s 1742.0

由上表可知，在实时定位系统中，若采用6.8M b p

s 传输数据速率，则系统容量能够满足每秒钟发送1742个标签，且能够保证97%的成功发送概率㊂针对在室内定位中标签数量较多㊁定位刷新频率较快的问题，本系统采用6.8M b p

s 的数据传输速率㊂3.3 其他功能模块

针对在实际应用中出现的某些区域禁止人员活动以及人员遇险后发送求救措施的需求，本系统采用S X 1212低功耗无线数传芯片实现电子围栏示警与一键S O S 求救功能㊂该芯片通过虚拟S P I 协议和主控进行通信,

支持0.78~150k b p

s 的数据传输速率，且频率范围为300~510MH z ，而UW B 的频率范围为3.1~10.6G H z

，彼此频率范围相差较大，相互之间互不影响㊂

此外，本系统还包括图像采集功能㊁在线参数修改功能等，当需要观察某一区域内的人员情况时，服务器可向该区域内的基站发送图像采集指令，基站接收到指令后，从定位状态切换到采集图像状态，将该区域内的图像信息实时上传给服务器，实现了某一区域内实际情况的实时显示；服务器可通过网络接口实时修改基站的参数，用来调整网络参数和UW B 天线发射功率和接收灵敏度等，简易便捷㊂

4 测试与分析

在完成整个基站系统设计后，对其进行测试㊂将基站

定位窗口期设置为1m s ，定时同步周期设置为2m s

㊂通过服务器向基站发送定位指令后，该区域内的所有基站进

入定位状态，图4为参考基站发送同步信息的间隔波形，高电平代表发送同步信息所需时间，图5为普通基站的定时定位时间波

形，高电平表示2m s 的同步间隔内

定位所占时间㊂

由图4和图5可知，进入定位状态后，参考节点以2

m s 的间隔定时发送同步信息,

普通节点在接收到同步信息后转为接收定位信息状态，定位窗口期为1m s

，整个系统无线同步方式简单便捷，工作稳定㊂

放置标签在该区域内，标签以0.3s 的间隔发送定位