摘 要：針對室內(nèi)物品監(jiān)管中存在監(jiān)控盲區(qū)、成本高昂等問題，提出一種基于UWB技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過對室內(nèi)物品進行實時監(jiān)控來防止丟失。該系統(tǒng)采用STM32作為主控制器，集成了UWB模塊來采集標簽位置數(shù)據(jù)并加以分析，以實現(xiàn)精確的室內(nèi)定位功能。系統(tǒng)配置了3個從基站及1個主基站，主基站通過遠傳模塊，將標簽位置數(shù)據(jù)上傳至服務器，終端通過訪問服務器來查詢標簽的實時位置。一旦標簽超出預設的范圍，服務器會立即向終端發(fā)出警報，從而達到防丟的目的。對系統(tǒng)進行測試實驗，實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)靈敏度高、穩(wěn)定性強，能夠有效實現(xiàn)室內(nèi)物品的定位與防丟功能，具有較高的實際應用價值。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；UWB技術(shù)；STM32；TDOA算法；OneNET云平臺；標簽識別

中圖分類號：TP277；TU998.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-00-03

0 引 言

當下，人們的生活正經(jīng)歷著翻天覆地的變化，對高速率、高質(zhì)量的無線通信技術(shù)的需求日益迫切。隨著通信技術(shù)、因特網(wǎng)以及多媒體業(yè)務的飛速發(fā)展，眾多無線技術(shù)，例如ZigBee、WiFi、藍牙及超寬帶（UWB）等，已在智能家居、智慧園區(qū)、智能樓宇等日常生活的各個方面得到了廣泛應用，為無線定位技術(shù)的發(fā)展提供了更為廣闊的舞臺。 UWB技術(shù)起源于20世紀60年代，起初主要應用于軍事、災害救援、雷達定位及測距等領域[1]。

當前社會發(fā)展迅猛，警力資源緊張，失竊物品往往難以及時追回。若能及時發(fā)現(xiàn)物品的異常狀態(tài)，便能迅速應對處理。而UWB技術(shù)憑借其識別精度高的優(yōu)點，能在復雜的環(huán)境中迅速識別并定位帶有信號標簽的物體，實現(xiàn)快速檢索，極大地降低管理難度，提升物品的安全性。

目前，GPS、藍牙、WiFi、RFID等定位技術(shù)已得到廣泛應用，但在室內(nèi)定位領域，UWB技術(shù)以其高精度、低功耗的優(yōu)勢脫穎而出。盡管UWB技術(shù)仍處于起步階段，但其市場前景卻十分廣闊[2]。針對室內(nèi)物品監(jiān)管中存在監(jiān)控盲區(qū)及成本高昂問題，本文致力于通過實時監(jiān)控技術(shù)來實現(xiàn)物品的定位與防丟功能。本文提出的基于UWB技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，可廣泛應用于多個場景，如工業(yè)生產(chǎn)中的電子圍欄、銀行貴重物品的監(jiān)控等，不僅能夠降低管理成本，還能顯著提升安全性。

1 系統(tǒng)組成

1.1 實現(xiàn)原理

本系統(tǒng)通過UWB技術(shù)來實現(xiàn)室內(nèi)定位。系統(tǒng)由1個主基站、3個從基站及若干標簽組成。系統(tǒng)集成了通信技術(shù)、TDOA算法、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及處理方法，能夠?qū)崟r監(jiān)測攜帶標簽物品的位置信息，并同步監(jiān)控周邊環(huán)境的溫度狀況。這一綜合解決方案有效減輕了被監(jiān)控物品的管理負擔，提升了管理效率。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為主基站、從基站及標簽的主控芯片。標簽內(nèi)部集成了溫度傳感器、ESP8266模塊以及BU01模塊，主基站還額外配備了遠傳模塊以實現(xiàn)數(shù)據(jù)向服務器的上傳。溫度傳感器負責監(jiān)控工作環(huán)境溫度以確保其處于正常范圍；ESP8266模塊用于組成連接主基站、從基站、標簽的局域網(wǎng)；BU01模塊用于標簽定位。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

系統(tǒng)每隔5 min對標簽進行一次定位，其余時間均處于休眠狀態(tài)。主基站每隔5 min通過ESP8266模塊組成的局域網(wǎng)向從基站與標簽發(fā)送喚醒指令。從基站收到指令后向主基站發(fā)送應答信號。標簽收到喚醒指令后向主基站發(fā)送應答信號及溫度數(shù)據(jù)。主基站接收并處理應答信號后，系統(tǒng)開始對標簽進行定位。從基站將標簽的位置信息和自身溫度信息通過ESP8266模塊組成的局域網(wǎng)傳輸至主基站，主基站接收到信息后，利用TDOA算法對這些數(shù)據(jù)進行處理，以精確解算標簽的位置。完成位置計算后，主基站將位置信息上傳至服務器。上傳完成后，主基站向從基站及標簽發(fā)送休眠指令。

2 硬件電路設計

2.1 電源電路

主基站、從基站及標簽使用同一電源方案，均可由5 V直流電源或3.7 V可充電鋰電池進行供電。當使用5 V直流電源進行供電時，電源模塊將斷開鋰電池對系統(tǒng)的供電，并對其進行充電。

由于主基站、從基站及標簽均有供電電壓為5 V的模塊，因此在使用3.7 V鋰電池供電時，需要采取同步升壓的方式將電壓轉(zhuǎn)換至5 V。本文選用平芯微半導體科技有限公司開發(fā)的PW5100同步升壓轉(zhuǎn)換器芯片，該芯片能夠?qū)?.7～5 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為3 V、3.3 V或5 V進行輸出，最大支持1.5 A的電流。

由于主控制器及其他模塊使用3.3 V電壓進行供電，因此需要使用降壓芯片將PW5100輸出的5 V電壓轉(zhuǎn)換至3.3 V。選擇AMS1117芯片對電壓進行降壓。AMS1117是一款LDO芯片，具有外圍電路簡單、成本低等優(yōu)點。

2.2 主控制器外圍電路

主基站、從基站及標簽的主控制器均選用STM32F103C 8T6，這是一款由意法半導體公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，采用LQFP48封裝，屬于STM32系列[3]。該芯片集成了SPI、ADC、TIMER、USART、DMA等外設，具有功耗低、性能強、穩(wěn)定性高等特點。外部晶振使用8 MHz晶振，經(jīng)過STM32內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻后，主頻可達72 MHz，算法執(zhí)行速度更快。

2.3 溫度傳感器

溫度傳感器選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器輸出數(shù)字信號，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的特點。 DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝形式多樣，可應用于管道式、螺紋式、磁鐵吸附式、不銹鋼封裝式等多種場合[4]。

2.4 遠傳模塊

主基站需要將標簽的位置信息傳輸至服務器，因此需要遠傳模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。遠傳模塊使用移遠的EC800K模塊，該模塊具有傳輸速率高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點[5]。

2.5 UWB模塊

UWB定位原理是基于時間戳差值法計算電磁波飛行時間，從而確定距離[6]?；竞蜆撕灢捎肬WB通信，在通信過程中帶有時間戳，因此基站可以根據(jù)時間戳計算標簽與基站的距離。

選用安信可的BU01作為UWB模塊，該模塊基于Decawave的DW1000芯片設計，定位精度可達10 cm。此外，BU01還有豐富的接口，如SPI、GPIO、喚醒引腳等，以便與主控制器進行通信和數(shù)據(jù)交換。在使用過程中，UWB的測距功能為間歇使用，以降低設備功耗。在UWB模塊工作時，其模塊的GPIO可以通過高低電平變化來表示工作狀態(tài)，因此只需將LED接到模塊的GPIO上，便可通過LED的閃爍狀態(tài)來判斷UWB模塊工作狀態(tài)是否正常，減少了后期維護的時間成本。

3 軟件設計

3.1 主基站軟件設計

圖2所示為主基站軟件的執(zhí)行流程。主基站上電后，首先進行主控制器初始化，配置時鐘接口、SPI接口、USART接口、GPIO等。在主控制器初始化完成后，測試其余模塊工作狀態(tài)是否正常。

完成自檢流程后，開始對ESP8266進行配置。為了構(gòu)建一個支持主基站、從基站及標簽間通信的局域網(wǎng)，需要將主基站的ESP8266模塊通過AT指令配置為服務器角色，并確保從基站與標簽都成功連接到該網(wǎng)絡，以便進行后續(xù)的定位操作。組網(wǎng)完成后，主基站通過ESP8266向從基站發(fā)送指令以喚醒從基站及標簽，基站開始對標簽進行測距。在接收完基站的溫度數(shù)據(jù)、標簽位置信息及標簽溫度數(shù)據(jù)后，主基站通過TDOA算法對標簽位置進行解算，若標簽位置未超出預設的范圍，則判定標簽位置正常，主基站向服務器發(fā)送標簽位置及溫度數(shù)據(jù)；若標簽超出預設的范圍，則判斷為標簽丟失，主基站將向服務器發(fā)送警報。在上傳數(shù)據(jù)執(zhí)行完畢后，主控制器向EC800K模塊發(fā)送休眠指令，以降低主基站整體待機功耗。同時通過定時器開始定時，在下次定時完畢后再次開始測距。

3.2 從基站和標簽軟件設計

從基站上電后，首先進行主控制器的初始化，在主控制器完成對外部時鐘、USART接口和SPI接口等外設的初始化后，檢測其他模塊的工作狀態(tài)是否正常。

完成自檢后，主控制器通過AT指令將ESP8266配置為客戶端，連接由主基站的ESP8266模塊創(chuàng)建的服務器。連接完成后，從基站會進入待機狀態(tài)，等待主基站的喚醒指令。等待期間，從基站主控制器會向BU01模塊發(fā)送對應的指令，使其進入休眠狀態(tài)以減小功耗。在接收到主機站的喚醒指令后，從基站通過ESP8266模塊向主基站發(fā)送應答信號并喚醒BU01模塊。測距完成后，從基站向主基站發(fā)送標簽位置數(shù)據(jù)以及從基站溫度數(shù)據(jù)。傳輸完成后，從基站等待主基站發(fā)送休眠指令，接收到休眠指令后開始休眠，等待主基站喚醒。

標簽主控制器初始化流程和ESP8266配置與從基站相同。在連接上由主基站創(chuàng)建的服務器后，標簽開始等待主基站喚醒指令；在接收到主基站的喚醒指令后，標簽向主基站發(fā)送應答信號及溫度數(shù)據(jù)并喚醒BU01模塊。傳輸完成后等待主基站發(fā)送休眠指令。

3.3 TDOA算法

主基站采用TDOA算法來解算標簽的位置。TDOA定位算法是在TOA定位算法的基礎上進行改進的，它不是直接利用目標信號的到達時間，而是利用相同信號到達不同遠端站的時間差值來定位目標位置[7-8]。相較于TOA算法需要信號到達遠端站的精確時間，TDOA算法需要的是相對時間的差值，所以在精度上有所提高，是目前應用最廣泛的多點定位算法模型。當基站個數(shù)大于3個時，非線性方程組個數(shù)要少于未知變量的個數(shù)，可以利用加權(quán)最小二乘法得到初始解，再利用得到的初始解和約束變量進行第二次加權(quán)最小二乘法估計，最后得到改進的位置估計[9-10]。

3.4 遠傳模塊軟件設計

遠傳模塊通過MQTT協(xié)議與OneNET服務器連接，主基站通過AT指令配置EC800K模塊。由于MQTT協(xié)議由固定報頭、可變報頭、有效載荷三部分組成，因此主基站的主控制器需要將標簽的位置數(shù)據(jù)以及各基站及標簽的溫度數(shù)據(jù)整合入MQTT報文內(nèi)。在向服務器上傳標簽位置信息及溫度數(shù)據(jù)后，主基站向EC800K模塊發(fā)送休眠指令，以降低主基站整體待機功耗。

4 測 試

在完成系統(tǒng)的設計與樣機制作后，開始對系統(tǒng)的相關(guān)功能進行測試。在標簽超出預設范圍時，主基站會向服務器發(fā)送警報信息，用戶可以通過網(wǎng)頁訪問標簽位置信息。在標簽位置未超過預設范圍時，主基站會每隔5 min上傳一次標簽位置。OneNET云平臺界面如圖3所示。

5 結(jié) 語

本文針對室內(nèi)物品監(jiān)管中存在監(jiān)控盲區(qū)、成本高昂等問題，提出了一種基于UWB技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過對室內(nèi)物品進行實時監(jiān)控來防止丟失。本系統(tǒng)靈敏度高、穩(wěn)定性強，能夠有效實現(xiàn)室內(nèi)物品的定位與防丟功能，具有較高的實際應用價值。

參考文獻

[1] 王川陽，王堅，余航，等.測距誤差改正的超寬帶定位系統(tǒng)研究[J].測繪科學，2019，44（1）：98-103.

[2] 劉金鑄，周冉.一種新的MB-OFDM-UWB技術(shù)分析與應用[J].電視技術(shù)，2007（8）：68-70.

[3] 鄭冰倩，顏翠翠，劉云斐，等.智能語音垃圾分類器設計[J].電子制作，2023，31（18）：55-58.

[4] 柳春林.基于OneNET云平臺的智能魚缸研究報告[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2019（4）：53-55.

[5] 潘德斯，馬振寧，曾衛(wèi)華，等.基于4G網(wǎng)絡的地球物理數(shù)傳系統(tǒng)的設計[J].集成電路應用，2022，39（3）：38-40.

[6] 馬振華，張鵬飛，何印，等.基于UWB輔助的多無人機慣導定位誤差校正方法[J].計算機測量與控制，2023，31（9）：253-259.

[7] 趙紅梅，趙杰磊.超寬帶室內(nèi)定位算法綜述[J].電信科學，2018，34（9）：130-142.

[8] 劉立洋，于存湛，于瀅.變電站三維安全跟蹤防護系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].東北電力技術(shù)，2013，34（9）：47-50.

[9] 張碧仙.基于UWB技術(shù)的車輛定位算法研究[J].黑龍江工業(yè)學院學報（綜合版），2020，20（12）：122-129.

[10] 陳曉維，李校林.蜂窩網(wǎng)絡中基于TDOA的CHAN定位算法性能分析[J].廣東通信技術(shù)，2007（8）：66-68.