项目描述
本项目基于Decawave（现已被Qorvo收购） DWM3001CDK开发板构建了一套融合超宽带（Ultra Wideband, UWB）测距与蓝牙低能耗（Bluetooth Low Energy, BLE）通信的智能感知系统，在开源社区贡献方面具有特殊意义。作者通过逆向工程修改Nordic官方SDK，首次实现了DWM3001CDK在Arduino IDE开发环境的完整支持（开源地址：https://github.com/qqice/Work-on-DWM3001CDK），这一突破性工作使得开发者能够充分利用Arduino平台丰富的开源库资源。在实际开发中，通过集成SPI显示屏驱动库、BLEPeripheral库等成熟组件，显著降低了外设兼容开发难度，使开发者可以用更简洁的代码实现复杂功能。系统采用硬件端Arduino固件与移动端微信小程序协同架构，其中硬件层负责UWB测距、IMU数据采集及显示屏控制，软件层基于JavaScript构建跨平台BLE交互界面。这种分层设计充分发挥了Arduino在实时控制方面的优势，同时利用微信小程序生态实现快速移动端部署，使系统兼具硬件实时性与软件可扩展性。
技术概念简介
本系统涉及超宽带（Ultra Wideband, UWB）测距与蓝牙低能耗（Bluetooth Low Energy, BLE）通信两大核心技术。UWB技术通过纳秒级窄脉冲实现厘米级测距精度，其双向飞行时间（Two Way Ranging, TWR）算法通过计算信号往返时间差确定距离，而到达角（Arrival of Angle, AoA）算法需多天线阵列通过相位差计算角度。BLE技术采用中心设备（Central）与外围设备（Peripheral）架构，通过服务（Service）和特征值（Characteristic）构建数据交互模型，其中特征值的通知（Notify）属性和写（Write）属性分别实现数据推送与指令接收功能。
UWB技术
Ultra Wideband（UWB）是一项基于IEEE 802.15.4A和802.15.4Z标准的无线电技术，可以非常准确地衡量无线电信号飞行时间，从而进行厘米精度的距离/位置测量。
除了这种独特的功能外，UWB还提供了数据通信能力，同时具备极低的功耗——仅使用纽扣电池便可运行数年，。通过结合准确的位置和通信，UWB还提供了一种新的在无线上安全通信的方法，从而为新形式的安全通信打开了大门。
图1 不同定位方式对比（图源：https://www.qorvo.com/innovation/ultra-wideband/technology）
根据图1的对比，我们可以看出，UWB技术在应用场景、定位精度、可靠性、定位范围、数据传输速率、安全性、延迟、功耗和成本等方面均较其他传统定位技术（如蓝牙、Wi-Fi、RFID、GPS）有明显优势，是新一代的定位技术。
TWR方法
TWR方法依赖于两个设备之间的双向通信。当它们进行交流时，设备还测量了UWB RF信号之间的飞行时间。通过将信号的往返时间乘以光速，然后除以2，您可以得出两个设备之间的实际距离。如果您在两个设备之间应用TWR方案，则将获得两个设备之间的距离（d）。根据TWR方案，您还可以通过测量移动标签和固定信标之间的距离来实现2D甚至3D位置 - 这称为三角剖分。
图2 TWR测距示意图（图源：https://www.qorvo.com/innovation/ultra-wideband/technology）
优点：
- 不需要系统同步
- 轻松部署
- 双向通信启用下行链路数据和控制
缺点：
- 随着设备使用双向通信的较高功耗 - 几个月到一年的电池寿命（用例依赖）
- 移动设备数量有限（数百个）
目标应用：
- 在家里找到丢失的物品
- 根据您的接近度锁定并解锁PC
- 用智能遥控器或手机指向并控制IoT设备
BLE技术
在低功耗蓝牙（BLE）技术框架中，Central（中心设备）与Peripheral（外围设备）的关系如同城市中的探索者与信息驿站——当你在街头漫步时，Peripheral设备就像一盏盏亮着柔和灯光的公告牌，持续向外广播着自己的存在与能力（例如"我是温度传感器"或"我提供导航服务"），而Central设备则如同手持地图的旅行者，不断扫描周围的信号。下图描述了Central（中心设备）与Peripheral（外围设备）的拓扑关系：
图3 BLE拓扑逻辑图（图源：https://learn.adafruit.com/introduction-to-bluetooth-low-energy）
当旅行者发现某个公告牌的内容符合需求时，便会驻足建立连接，此时二者的角色进一步深化：Peripheral化身为数据仓库，将传感器读数、设备状态等信息分门别类存储在"服务货架"（Service）上，每个货架又摆放着多个"特征值储物格"（Characteristic）。下图则描述了Service与Characteristic的关系：
图4 Service与Characteristic关系图（图源：https://learn.adafruit.com/introduction-to-bluetooth-low-energy）
而Central则像一位精明的采购员，既可以实时查看储物格中动态更新的数据（Notify特性），也能向特定格子中写入指令来调整设备行为，比如修改电子墨水屏的显示模式。这种关系并非单向传递——当Central向Peripheral的"可写储物格"投入新指令时，Peripheral会立即响应并执行操作，就像自动售货机在接收硬币后弹出商品，二者通过无形的数据纽带实现了精准的协同作业。
硬件介绍
DWM3001CDK开发平台
本系统核心硬件采用Decawave DWM3001CDK评估板，其搭载的DWM3001C模块集成Nordic nRF52833主控芯片与DW3110 UWB收发器。nRF52833提供64MHz Cortex-M4F处理器、512KB Flash及128KB RAM，支持蓝牙5.1双模协议。DW3110可以工作在6.5GHz频段（UWB通道5）或8GHz频段（UWB通道9），最大发射功率-8dBm/MHz，符合IEEE 802.15.4z标准。开发板内置LIS2DH12三轴加速度计（±2g量程）和温度传感器（±0.5℃精度），但受限于单天线设计，其UWB模块仅支持TWR测距无法独立实现AoA测量。实验表明，当尝试通过RSSI估算角度时，误差范围超过±30°，这验证了苹果U1芯片通过四天线阵列实现精准空间感知的技术优势。
JDI全反射显示屏
系统外接Japan Display Inc.生产的0.85英寸Memory-in-Pixel（MIP）全反射式显示屏，分辨率72*144。该屏幕采用液晶技术，在无背光条件下依靠环境光反射显示内容，待机功耗仅3μW。屏幕通过SPI接口与主控芯片通信，支持8色显示（黑白红黄蓝绿橙紫）和局部刷新功能。
功能实现
项目的设计思路是自顶向下的：先设计整个系统的功能，再逐步分解为功能模块；而实现形式则是自底向上的：先用代码实现通用的功能模块，再像搭积木一样搭建起完整的系统代码。
代码流程图
图5 代码流程图
该流程图描述了程序的主要执行流程：
1. 初始化阶段：设置各个硬件组件
2. 主循环：发送测距信号、获取数据并更新显示
3. 中断处理：接收响应信息并计算距离
4. 辅助功能：处理IMU数据、更新BLE和屏幕显示
UWB技术实现细节
系统采用TWR改进算法，在固件层实现精确时钟同步补偿。当Anchor与Tag设备建立通信后，通过三次握手协议交换时间戳：Tag发送Poll报文，Anchor回应Resp报文并记录收发时间差Δt1，Tag最终发送Final报文携带Δt1与本地计算的Δt2。距离计算公式为：d = c×[(Δt1×Δt2 - Δt2²)/2(Δt1 + Δt2)]，其中c为光速。该算法有效消除时钟偏移误差，实测精度可达±10cm。由于DWM3001C模块仅配备单天线，无法通过相位差分实现AoA测量，这解释了题目2为何需要手机协同完成完整空间定位。
BLE通信架构
系统构建了包含单个服务的GATT协议栈：环境感知服务（UUID: 0x1234）包含距离、加速度、温度三组通知型特征值，还包含可写特征值用于接收显示指令。采用128位自定义UUID避免与其他服务冲突，特征值设计遵循最小数据单元原则，单个数据包封装距离（float）、三轴加速度（float×3）、温度（float），显示控制条长度（uint8_t）共21字节数据，通过位域压缩确保传输效率。
BLE功能实现流程
在实现BLE通信功能时，我的实现方式是：先设计需要通过BLE传输的数据，再在Arduino中进行初步的实现；
图6 Arduino中设计Characteristic
初步实现完成后，使用移动端的LightBlue App对每个Service和Characteristic进行分别测试，保证其内容和功能符合预期；
图7 LightBlue App——BLE设备搜索
图8 LightBlue App——列出Service和Characteristic
图9 LightBlue App——Characteristic内部数据调试
在确认功能正确后，最后再在微信小程序中进行对应功能的实现，并进行真机调试，确认功能无误。
图10 微信小程序真机调试
关键代码
本项目的代码共分为3部分：Anchor，Tag和微信小程序。其中，Anchor和Tag分别使用Arduino分别运行在一块DWM3001CDK开发板上：为简化设计流程，Tag部分使用官方SDK中的示例代码，而Anchor部分则在官方的示例代码基础上进行了优化，并添加了BLE、显示、IMU等部分。微信小程序部分则基于微信官方文档中的示例代码进行了二次开发，以测试小程序的形式先经过微信开发者工具IDE的模拟器调试后，再进一步进行真机调试。接下来选取部分关键代码进行展示：
Arduino部分
/* 经本人测试，最适合DWM3001CDK的参数值。 数值低了会导致收不到数据超时，数值高了实时性差，浪费性能。 */
#define POLL_TX_TO_RESP_RX_DLY_UUS 300
#define RESP_RX_TIMEOUT_UUS 1500
/*将UWB的信号处理部分抽取出来，单独使用中断进行实现，以提高代码运行效率和距离测定精确度。*/
void rxIRQ(){
// UART_puts("IRQ Triggered!\r\n");
uint32_t frame_len;
/* 清除DW IC状态寄存器中的良好RX帧事件。 */
dwt_write32bitreg(SYS_STATUS_ID, SYS_STATUS_RXFCG_BIT_MASK);
/* 已接收到一个帧，将其读入本地缓冲区。 */
frame_len = dwt_read32bitreg(RX_FINFO_ID) & RXFLEN_MASK;
if (frame_len <= sizeof(rx_buffer))
{
// UART_puts("RX LEN OK\r\n");
dwt_readrxdata(rx_buffer, frame_len, 0);
/* 检查帧是否是来自配套"SS TWR responder"示例的预期响应。
* 由于帧的序列号字段不相关，因此将其清除以简化帧验证。 */
rx_buffer[ALL_MSG_SN_IDX] = 0;
if (memcmp(rx_buffer, rx_resp_msg, ALL_MSG_COMMON_LEN) == 0)
{
// UART_puts("RX MSG OK\r\n");
uint32_t poll_tx_ts, resp_rx_ts, poll_rx_ts, resp_tx_ts;
int32_t rtd_init, rtd_resp;
float clockOffsetRatio ;
/* 检索轮询传输和响应接收时间戳。请参见下面的注释9。 */
poll_tx_ts = dwt_readtxtimestamplo32();
resp_rx_ts = dwt_readrxtimestamplo32();
/* 读取载波积分器值并计算时钟偏移比率。请参见下面的注释11。 */
clockOffsetRatio = ((float)dwt_readclockoffset()) / (uint32_t)(1<<26);
/* 获取响应消息中嵌入的时间戳。 */
resp_msg_get_ts(&rx_buffer[RESP_MSG_POLL_RX_TS_IDX], &poll_rx_ts);
resp_msg_get_ts(&rx_buffer[RESP_MSG_RESP_TX_TS_IDX], &resp_tx_ts);
/* 计算飞行时间和距离，使用时钟偏移比率来校正不同的本地和远程时钟速率 */
rtd_init = resp_rx_ts - poll_tx_ts;
rtd_resp = resp_tx_ts - poll_rx_ts;
tof = ((rtd_init - rtd_resp * (1 - clockOffsetRatio)) / 2.0) * DWT_TIME_UNITS;
distance = tof * SPEED_OF_LIGHT;
/* 在全反射屏上显示计算出的距离。 */
snprintf(dist_str, sizeof(dist_str), "DIST: %3.2f m", distance);
test_run_info((unsigned char *)dist_str);
currentDist = distance;
}
}
}
/*BLE初始化部分*/
void BLEInit(){
Bluefruit.autoConnLed(true);
Bluefruit.configPrphBandwidth(BANDWIDTH_MAX);
Bluefruit.begin();
Bluefruit.setTxPower(4);
Bluefruit.Periph.setConnectCallback(connect_callback);
Bluefruit.Periph.setDisconnectCallback(disconnect_callback);
startAdv();
}
void startAdv(void)
{
// Advertising packet
Bluefruit.Advertising.clearData();
Bluefruit.Advertising.addFlags(BLE_GAP_ADV_FLAGS_LE_ONLY_GENERAL_DISC_MODE);
Bluefruit.Advertising.addTxPower();
myService.begin();
distChar.setProperties(CHR_PROPS_NOTIFY);
distChar.setPermission(SECMODE_OPEN, SECMODE_NO_ACCESS);
distChar.setFixedLen(4);
distChar.begin();
accelXChar.setProperties(CHR_PROPS_NOTIFY);
accelXChar.setPermission(SECMODE_OPEN, SECMODE_NO_ACCESS);
accelXChar.setFixedLen(4);
accelXChar.begin();
accelYChar.setProperties(CHR_PROPS_NOTIFY);
accelYChar.setPermission(SECMODE_OPEN, SECMODE_NO_ACCESS);
accelYChar.setFixedLen(4);
accelYChar.begin();
accelZChar.setProperties(CHR_PROPS_NOTIFY);
accelZChar.setPermission(SECMODE_OPEN, SECMODE_NO_ACCESS);
accelZChar.setFixedLen(4);
accelZChar.begin();
tempChar.setProperties(CHR_PROPS_NOTIFY);
tempChar.setPermission(SECMODE_OPEN, SECMODE_NO_ACCESS);
tempChar.setFixedLen(4);
tempChar.begin();
barChar.setProperties(CHR_PROPS_READ | CHR_PROPS_WRITE | CHR_PROPS_NOTIFY);
//barChar.setPermission(SECMODE_OPEN, SECMODE_NO_ACCESS);
barChar.setFixedLen(1);
barChar.begin();
barChar.write8(barLength);
Bluefruit.ScanResponse.addName();
Bluefruit.Advertising.restartOnDisconnect(true);
Bluefruit.Advertising.setInterval(32, 244); // in unit of 0.625 ms
Bluefruit.Advertising.setFastTimeout(30); // number of seconds in fast mode
Bluefruit.Advertising.start(0); // 0 = Don't stop advertising after n seconds
}
/*更新BLE和绘制界面*/
void updateBLE(){
if (connectedFlag == 1) {
distChar.notify32(float(currentDist));
accelXChar.notify32(float(accelX));
accelYChar.notify32(float(accelY));
accelZChar.notify32(float(accelZ));
tempChar.notify32(float(tempC));
barLength = barChar.read8();
barChar.notify8(barLength);
}
}
void updateScreen(){
jdi_display.fillRect(0, 0, 72, 144, COLOR_WHITE);
jdi_display.setTextColor(COLOR_BLACK);
jdi_display.setTextSize(2);
jdi_display.setCursor(5, 5);
jdi_display.printf("DIST: %2.2fm",currentDist);
jdi_display.setTextSize(1);
// X轴数据和进度条
jdi_display.setCursor(5, 40);
jdi_display.printf("X:%3.2fmG",accelX);
// 绘制X轴进度条
int barX = 36; // 屏幕中点
int barWidth = 70; // 总宽度
int barHeight = 5; // 高度
jdi_display.drawRect(barX-barWidth/2, 50, barWidth, barHeight, COLOR_BLACK);
// 计算进度条长度，范围为-2000到2000
int xBarLength = map(constrain(accelX, -2000, 2000), -2000, 2000, -barWidth/2+1, barWidth/2-1);
if (xBarLength >= 0) {
jdi_display.fillRect(barX, 51, xBarLength, barHeight-2, COLOR_RED); // 正值用红色
} else {
jdi_display.fillRect(barX+xBarLength, 51, -xBarLength, barHeight-2, COLOR_BLUE); // 负值用蓝色
}
// Y轴数据和进度条
jdi_display.setCursor(5, 60);
jdi_display.printf("Y:%3.2fmG",accelY);
// 绘制Y轴进度条
jdi_display.drawRect(barX-barWidth/2, 70, barWidth, barHeight, COLOR_BLACK);
int yBarLength = map(constrain(accelY, -2000, 2000), -2000, 2000, -barWidth/2+1, barWidth/2-1);
if (yBarLength >= 0) {
jdi_display.fillRect(barX, 71, yBarLength, barHeight-2, COLOR_MAGENTA); // 正值用紫色
} else {
jdi_display.fillRect(barX+yBarLength, 71, -yBarLength, barHeight-2, COLOR_CYAN); // 负值用青色
}
// Z轴数据和进度条
jdi_display.setCursor(5, 80);
jdi_display.printf("Z:%3.2fmG",accelZ);
// 绘制Z轴进度条
jdi_display.drawRect(barX-barWidth/2, 90, barWidth, barHeight, COLOR_BLACK);
int zBarLength = map(constrain(accelZ, -2000, 2000), -2000, 2000, -barWidth/2+1, barWidth/2-1);
if (zBarLength >= 0) {
jdi_display.fillRect(barX, 91, zBarLength, barHeight-2, COLOR_YELLOW); // 正值用黄色
} else {
jdi_display.fillRect(barX+zBarLength, 91, -zBarLength, barHeight-2, COLOR_GREEN); // 负值用绿色
}
jdi_display.setCursor(5, 100);
jdi_display.printf("T:%2.2fC",tempC);
jdi_display.setCursor(5, 120);
jdi_display.drawRect(0, 120, 72, 12, COLOR_BLACK);
jdi_display.fillRect(1, 121, barLength, 10, colors[barLength % NUMBER_COLORS]);
jdi_display.refresh();
}
微信小程序部分
// 根据指定的格式转换ArrayBuffer数据
function convertValueByFormat(buffer, format) {
switch(format) {
case 'hex':
return ab2hex(buffer);
case 'uint8':
const uint8Array = ab2uint8(buffer);
return Array.from(uint8Array).join(', ');
case 'float':
const floatArray = ab2float(buffer);
return Array.from(floatArray).join(', ');
default:
return ab2hex(buffer); // 默认使用hex格式
}
}
// 数据监听与解析
wx.onBLECharacteristicValueChange((characteristic) => {
const idx = inArray(this.data.chs, 'uuid', characteristic.characteristicId)
const data = {}
const shortUuid = characteristic.characteristicId.substring(4, 8); // 获取短UUID用于查找名称
const characteristicName = characteristicNames[shortUuid] || '未知特性';
const shouldDisplay = this.data.showAllCharacteristics || displayableCharacteristics[shortUuid];
if (shouldDisplay) {
// 获取当前显示格式或设置默认格式
const currentFormat = (idx >= 0) ? this.data.chs[idx].displayFormat : (defaultCharacteristicFormats[shortUuid] || 'hex');
if (idx === -1) {
data[`chs[${this.data.chs.length}]`] = {
uuid: characteristic.characteristicId,
shortUuid: shortUuid,
name: characteristicName,
value: convertValueByFormat(characteristic.value, currentFormat), // 使用当前格式转换值
rawValue: characteristic.value,
displayFormat: currentFormat // 保持当前格式
}
} else {
data[`chs[${idx}]`] = {
uuid: characteristic.characteristicId,
shortUuid: shortUuid,
name: characteristicName,
value: convertValueByFormat(characteristic.value, currentFormat), // 使用当前格式转换值
rawValue: characteristic.value,
displayFormat: currentFormat // 保持当前格式
}
}
this.setData(data)
}
})
},
// 控制数据写入
writeBLECharacteristicValue(value) {
// 如果没有提供参数，则使用随机值作为默认值
let uint8Value = value !== undefined ? value : (Math.random() * 255 | 0);
let buffer = new ArrayBuffer(1);
let dataView = new DataView(buffer);
dataView.setUint8(0, uint8Value);
wx.writeBLECharacteristicValue({
deviceId: this._deviceId,
serviceId: this._serviceId, // 修正原代码中的错误，使用正确的serviceId
characteristicId: this._characteristicId,
value: buffer,
});
},
<view class="connected_info" wx:if="{{connected}}">
<view>
<text>已连接到 {{name}}</text>
<view class="operation">
<button size="mini" bindtap="closeBLEConnection">断开连接</button>
</view>
</view>
<!-- 添加滑动条 -->
<view class="slider-container" wx:if="{{canWrite}}">
<text>调节数值: {{sliderValue}}</text>
<slider bindchange="onSliderChange" min="0" max="70" value="{{sliderValue}}" show-value/>
</view>
<!-- 添加特性筛选开关 -->
<view class="filter-container">
<text>特性筛选: </text>
<switch checked="{{showAllCharacteristics}}" bindchange="toggleCharacteristicFilter"/>
<text>{{showAllCharacteristics ? '显示全部' : '显示重要'}}</text>
</view>
<view wx:for="{{chs}}" wx:key="index" class="characteristic-item">
<view>特性UUID: {{item.uuid}}</view>
<view>特性名称: {{item.name}}</view>
<view class="value-container">
<text>特性值: {{item.value}}</text>
<view class="format-selector">
<text class="format-option {{item.displayFormat === 'hex' ? 'active' : ''}}"
data-index="{{index}}" data-format="hex"
bindtap="changeDisplayFormat">Hex</text>
<text class="format-option {{item.displayFormat === 'uint8' ? 'active' : ''}}"
data-index="{{index}}" data-format="uint8"
bindtap="changeDisplayFormat">Uint8</text>
<text class="format-option {{item.displayFormat === 'float' ? 'active' : ''}}"
data-index="{{index}}" data-format="float"
bindtap="changeDisplayFormat">Float</text>
</view>
</view>
</view>
</view>
功能展示
数据采集功能
首先，为Anchor上电。此时由于Tag不在线，Anchor发送的信号无法被响应，Dist（距离）值为0.00m；IMU正常运作，显示屏上将三轴加速度分别以mG为单位进行输出，并以彩色进度条的形式展示在对应数值的下面。
UWB TWR距离测量功能
接下来，为Tag上电。待Tag正确运行，Anchor与Tag之间建立通信后，Anchor的显示屏上开始显示Anchor与Tag之间通过TWR技术测定出的距离。此时Dist为0.11m，表明测量出的距离值为0.11m。
为验证距离精度，我们使用一块约30cm的PCB尺用于提供参照。可以看到，显示的距离值为0.32m，精度还是可以的。
移动端数据采集与设备控制功能
接下来，打开微信小程序，扫描Anchor设备并连接，可以看到微信小程序端可以正确接收到Anchor设备传来的各项传感器数值，并用正确的格式进行解析。
拖动“调节数值”下方的滑动输入条，观察到Anchor连接的显示屏上也作出了相应的反应。
项目中遇到的难题和解决方法
问题1：官方的Segger Embedded Studio易用性差，NRF SDK功能强大但入门门槛高
解决方法：为开发板添加Arduino支持，支持更多外设
问题2：UWB TWR例程直接运行无法建立通信，无法测定距离
解决方法：通过断点调试、打印日志等方式，结合查看DW3110的数据手册，对照程序打印的寄存器值定位问题，最终确定是设备响应超时导致的。调整等待时间参数后，问题解决。
/* 经本人测试，最适合DWM3001CDK的参数值。 数值低了会导致收不到数据超时，数值高了实时性差，浪费性能。 */
#define POLL_TX_TO_RESP_RX_DLY_UUS 300
#define RESP_RX_TIMEOUT_UUS 1500
问题3：仅使用两块板卡无法测量方位角
解决方法：通过查阅相关资料得知，UWB技术里常用的方位角测算方法是AoA，而AoA技术需要单个芯片上接复数个天线才能进行方位角测量，但DWM3001CDK上只有一块UWB天线，故而在UWB中无法通过较为简便的办法测定方位角。
心得体会
在一月初，学校组织我们参观了本地的一家法院，在参观的途中，讲解员告诉我们法院里通过一项叫做UWB的技术，能够实现来访人员在法院内的高精度三维定位，以确保来访者能够待在正确的位置，不会进入办公区域。当时我就对这项技术非常感兴趣，回到家正好看到本期Funpack里有一块UWB开发板，就果断下单研究了。虽然以前有进行过基于NRF52芯片的BLE开发，有一些理论基础，但对于UWB这项较新的技术我还是有点摸不着头脑的。网上关于UWB技术的文章也并不算多，所幸在Funpack交流群里能和群友们高强度交流，受到了很多启发，也学到了不少知识，最终完成了这个项目。也感谢硬禾和得捷电子提供的这个机会，能够免费玩DWM3001CDK这块开发板。等活动结束后，我还想在群里再收几块群友的DWM3001CDK，争取复刻出法院的UWB三维定位系统，做个小demo。
starry-mclrvic