Funpack4-1

——板卡二 自命题：无感智能家居系统

一、项目介绍

本项目依托于Funpack4-1活动，基于DWM3001CDK板卡，实现了一个具有LED指示功能的无感智能家居系统。基于qqice开发的DWM3001CDK的Arduino库，实现了板卡间的距离测量，基于这一距离，改变点亮LED的颜色，控制继电器输出，附有数字IO接口输出，以及串口输出距离信息，并接收控制命令。

项目内容：

1、基于DWM3001CDK，使用UWB进行测距。

2、基于距离控制继电器输出、LED颜色和数字输出。

3、串口输出日志并接收输入。

应用场景

本项目唯一无感智能家居的简单演示。现在，包括苹果、华为、小米等越来越多手机品牌的越来越多的手机和手表等硬件都具有了UWB通信功能。UWB通信基于其超高频率和超宽频带，天然具有抗干扰性强、定位精度高、穿透力强等优点。对于智能家居，人的定位是一个无法避免的问题。传统智能家居需要额外安装传感器，如红外、毫米波雷达等。这些传感器由于供电和探测范围的限制，灵活性较低。但是，UWB芯片体积小、易于集成、功耗低，可以自由集成在蓝牙音箱、中控面板等传统网关形态内，也可以集成在吸顶灯、开关面板等非传统形态内。

二、总体架构

图2 总体结构图

系统总体架构图如图所示，基站和发射端相互通信，发射端同时控制继电器开关，达成控制智能家居的效果，同时对外预留串口，可以作为模块集成入别的系统。

三、软件实现

DWM3001CDK支持多种嵌入式开发环境，官方示例基于SEGGER Embedded Studio，同时也基于拓展支持VS Code。但是以上两种方式开发难度较高，示例较少，且较为复杂。感谢qqice，移植了Arduino框架，本文采用qqice移植的Arduino框架进行开发。

本项目中包含发射端和基站的软件实现，由于基站大部分软件实现与发射端类似，因而不在赘述。

3.1 系统初始化

系统上电后，首先进行简单外设的初始化，包含串口、USB CDC、LED和IO输出。

 Serial.begin(115200);
  UART_init();
  test_run_info((unsigned char *)APP_NAME);
  pinMode(LED_GREEN, OUTPUT);
  pinMode(LED_BLUE, OUTPUT);
  pinMode(LED_RED_TOP, OUTPUT);
  pinMode(LED_RED_BOT, OUTPUT);
  pinMode(SDA, OUTPUT);

然后初始化DW3000，并通过USB CDC打印日志。

 selectSPIchannel(SPI1);
  spiBegin(PIN_IRQ, PIN_RST);
  spiSelect(PIN_SS);
  delay(2); // Time needed for DW3000 to start up (transition from INIT_RC to IDLE_RC, or could wait for SPIRDY event)
  while (!dwt_checkidlerc()) // Need to make sure DW IC is in IDLE_RC before proceeding 
  {
    UART_puts("IDLE FAILED\r\n");
    while (1) ;
  }
  UART_puts("IDLE OK\r\n");

  if (dwt_initialise(DWT_DW_INIT) == DWT_ERROR)
  {
    UART_puts("INIT FAILED\r\n");
    while (1) ;
  }
  UART_puts("INIT OK\r\n");
  // Enabling LEDs here for debug so that for each TX the D1 LED will flash on DW3000 red eval-shield boards.
  dwt_setleds(DWT_LEDS_ENABLE | DWT_LEDS_INIT_BLINK);
  

然后对DW3000进行配置。

/* Configure DW IC. See NOTE 6 below. */
  if(dwt_configure(&config)) // if the dwt_configure returns DWT_ERROR either the PLL or RX calibration has failed the host should reset the device
  {
    UART_puts("CONFIG FAILED\r\n");
    while (1) ;
  }
  UART_puts("CONFIG OK\r\n");
    /* Configure the TX spectrum parameters (power, PG delay and PG count) */
    dwt_configuretxrf(&txconfig_options);
    /* Apply default antenna delay value. See NOTE 2 below. */
    dwt_setrxantennadelay(RX_ANT_DLY);
    dwt_settxantennadelay(TX_ANT_DLY);
    /* Set expected response's delay and timeout. See NOTE 1 and 5 below.
     * As this example only handles one incoming frame with always the same delay and timeout, those values can be set here once for all. */
    dwt_setrxaftertxdelay(POLL_TX_TO_RESP_RX_DLY_UUS);
    dwt_setrxtimeout(RESP_RX_TIMEOUT_UUS);
    /* Next can enable TX/RX states output on GPIOs 5 and 6 to help debug, and also TX/RX LEDs
     * Note, in real low power applications the LEDs should not be used. */
    dwt_setlnapamode(DWT_LNA_ENABLE | DWT_PA_ENABLE);
    UART_puts("INIT DONE\r\n");

代码中的config如下

static dwt_config_t config = {
        5,               /* Channel number. */
        DWT_PLEN_128,    /* Preamble length. Used in TX only. */
        DWT_PAC8,        /* Preamble acquisition chunk size. Used in RX only. */
        9,               /* TX preamble code. Used in TX only. */
        9,               /* RX preamble code. Used in RX only. */
        1,               /* 0 to use standard 8 symbol SFD, 1 to use non-standard 8 symbol, 2 for non-standard 16 symbol SFD and 3 for 4z 8 symbol SDF type */
        DWT_BR_6M8,      /* Data rate. */
        DWT_PHRMODE_STD, /* PHY header mode. */
        DWT_PHRRATE_STD, /* PHY header rate. */
        (129 + 8 - 8),   /* SFD timeout (preamble length + 1 + SFD length - PAC size). Used in RX only. */
        DWT_STS_MODE_OFF, /* STS disabled */
        DWT_STS_LEN_64,/* STS length see allowed values in Enum dwt_sts_lengths_e */
        DWT_PDOA_M0      /* PDOA mode off */
};

至此，系统初始化结束。

3.2主循环

进入主循环，包含几部分，发射准备，发射，接收，读取延时，滤波并计算距离，最后根据距离控制输出

首先是准备发射和发射部分，代码如下

/* Write frame data to DW IC and prepare transmission. See NOTE 7 below. */
  tx_poll_msg[ALL_MSG_SN_IDX] = frame_seq_nb;
  dwt_write32bitreg(SYS_STATUS_ID, SYS_STATUS_TXFRS_BIT_MASK);
  dwt_writetxdata(sizeof(tx_poll_msg), tx_poll_msg, 0); /* Zero offset in TX buffer. */
  dwt_writetxfctrl(sizeof(tx_poll_msg), 0, 1); /* Zero offset in TX buffer, ranging. */


  /* Start transmission, indicating that a response is expected so that reception is enabled automatically after the frame is sent and the delay
    * set by dwt_setrxaftertxdelay() has elapsed. */
  dwt_starttx(DWT_START_TX_IMMEDIATE | DWT_RESPONSE_EXPECTED);

然后是一个while循环，条件是收到基站回复或者超时，代码如下。

while (!((status_reg = dwt_read32bitreg(SYS_STATUS_ID)) & (SYS_STATUS_RXFCG_BIT_MASK | SYS_STATUS_ALL_RX_TO | SYS_STATUS_ALL_RX_ERR)))
  { };

经过清除寄存器标志位，读取数据后，然后读取延时，代码如下

/* Retrieve poll transmission and response reception timestamps. See NOTE 9 below. */
              poll_tx_ts = dwt_readtxtimestamplo32();
              resp_rx_ts = dwt_readrxtimestamplo32();


              /* Read carrier integrator value and calculate clock offset ratio. See NOTE 11 below. */
              clockOffsetRatio = ((float)dwt_readclockoffset()) / (uint32_t)(1<<26);


              /* Get timestamps embedded in response message. */
              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);


              /* Compute time of flight and distance, using clock offset ratio to correct for differing local and remote clock rates */
              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;

此时我们已经获得了本次测距的时差，乘以光速，就是本次测速的距离。同时观察到由于电磁扰动，以及天线和时钟偏移未校准等因素，会导致测得的距离存在厘米级别的抖动。基于使用场景推定测得距离的变化较小，因而采用如下的线性IIR滤波器进行滤波，代码如下。

TX到RX的天线延迟总和需通过实验校准。本例中使用硬编码值（预计偏低，导致距离估计有正误差）。实际应用中，每个设备需单独校准天线延迟以确保测距精度。

使用时钟偏移值校正飞行时间计算，可显著提升SS-TWR精度，尤其当响应者时钟与发起者有PPM级偏差时。若天线延迟未校准，测距会有固定偏移（见注释2）。

tof = ((rtd_init - rtd_resp * (1 - clockOffsetRatio)) / 2.0) * DWT_TIME_UNITS;
              distance = tof * SPEED_OF_LIGHT;
              distance=distance*0.6+dis_l*0.4;
              dis_l=distance;

最后，打印距离，并根据距离控制LED和继电器输出

							snprintf(dist_str, sizeof(dist_str), "DIST: %3.2f m", distance);
              test_run_info((unsigned char *)dist_str);
              Serial.printf("distance:%f", distance);
              if(distance<0.25)
              {
                digitalWrite(SDA,0);
                digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
                digitalWrite(LED_BLUE, 1);
                digitalWrite(LED_RED_TOP, 1);
                digitalWrite(LED_RED_BOT, 1);
              }
              else if(distance<0.5)
              {
              digitalWrite(SDA,0);
              digitalWrite(LED_GREEN, 1);
              digitalWrite(LED_BLUE, 0);
              digitalWrite(LED_RED_TOP, 1);
              digitalWrite(LED_RED_BOT, 1);
              }else if(distance<1)
              {
              digitalWrite(SDA,1);
              digitalWrite(LED_GREEN, 1);
              digitalWrite(LED_BLUE, 1);
              digitalWrite(LED_RED_TOP, 0);
              digitalWrite(LED_RED_BOT, 1);
              }else if(distance>1)
              {
              digitalWrite(SDA,1);
              digitalWrite(LED_GREEN, 1);
              digitalWrite(LED_BLUE, 1);
              digitalWrite(LED_RED_TOP, 0);
              digitalWrite(LED_RED_BOT,0);
              }

四、效果展示

实物如图，效果请参见视频

五、展望

本项目介绍了一种无感的易于集成的智能家居实现方法，并作了一次低成本的尝试。但是本项目有诸多不足，比如，基于单基站的定位无法避免多路径效应，难以剔除距离跳变，定位距离为一球型，在多层建筑中的适应性可能不佳。