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2023年广西壮族自治区级大学生创新创业训练计划立项项目《基于门禁UWB系统的设计与运用》（项目编号：S202311825115）。

摘要：随着无线通信技术的发展，UWB技术具有数据传输速率高、抗多径干扰能力强、功耗低、成本低、穿透能力强、截获率低、与现有其他无线通信系统共享频谱等特点，成为一种新兴的短距离无线通信方式。文章针对生活中应用广泛的门禁系统与UWB系统相融合，利用TDOA等多种算法进行分析，实现高精度定位，软硬件结合与算法分析进一步优化，实现便民性显著的UWB门禁系统。

关键词：UWB定位；智能门禁；高精度定位；门禁管理

0 引言

在当今数字化时代，安全管理系统在各种场景中变得至关重要，尤其是对于门禁系统的需求与日俱增。传统的门禁系统往往存在诸多限制，例如易受到假冒或破坏、不便携性等问题。因此，基于Ultra-Wideband（UWB）技术的门禁系统应运而生，其高精度、低功耗、抗干扰等特点使其成为当前门禁领域的研究热点之一。

1 系统方案设计

当配置了UWB控制模块的车辆进入门禁系统控制模块的信号覆盖范围内时，与门禁系统控制模块根据用户预先设置的身份鉴权方式，与用户或车辆进行身份鉴权，所述身份鉴权方式为仅人员识别、仅车辆识别、人员与车辆共同识别中的任意一种；若身份鉴权通过，则门禁系统控制模块对访客的距离和位置进行计算；若，则门禁系统控制模块等待至；若，则门禁系统控制模块立即控制门阀开启。（为车辆或人员与门阀的距离；1为所设定阈值范围）

当配置 UWB 控制模块的用户车辆进入门禁信号覆盖范围，车辆上的 UWB 标签发信号，门禁系统的 UWB 接收器接收并解析信号，与预先存储的用户信息比对，比对成功确认身份有效，否则无效。系统检查用户权限，满足要求则在用户车辆到达开门范围时发送指令执行开锁操作，未到达则等待，同时记录车辆出入记录。系统可通过手机 APP 等向用户或管理员反馈。若身份验证或权限检查出现异常，执行异常处理流程。

2 系统方案设计

项目基于UWB的门禁系统设计框图如图2所示，该门禁系统主要由核心芯片、信号接收与发送模块、语音播报模块、门禁控制模块、门禁显示模块等各个模块共同协作，共同实现门禁系统的智能化管理。

3 硬件电路设计

电路采用模块化设计，用主控制器协调各模块的功能。信号收发模块电路主要采用DW1000芯片进行数据收发，让收发模块进行高精度控制收发DW1000利用超宽带技术实现高精度的定位和距离测量。门阀控制模块电路利用单片机实现利用收到信号进行判断决定是否可驱动电机对门阀的开闭，当其有意外情况发生时，会出现警报。警报为另外拓展模块，进行相互辅助，对用户进行通过与否的判别。语音播报模块电路预先设计储存语音包，当触发语音信号来临时，先判断播报内容再调用语音包并播报，同时让播报内容，显示在显示屏上。为用户提供清晰、准确的提示。智能语音播报模块在门禁事件发生时进行自动播报，同时该模块能够实时接收来自主机的指令和信息。一旦有门禁事件发生，模块会立即触发相应的语音播报。

4 算法优化

本文以测距定位方法为主，采用TOA算法，为确保系统准确度和精度，需对算法进行优化。

TOA测距的基本原理是得到UWB脉冲信号到达各个基站的时间，利用了UWB脉冲信号到各个基站间距离R与信号传播时间t成正比例关系，则有；其中。TOA定位俗称圆周定位，即根据测量的距离为半径进行画圆，通过圆的交点确定标签的位置，所以至少需要有三个基站。以测得到三个基站的距离为半径进行画圆，绘出的三个圆将会有一个共同的交点，三个圆共同的交点即为标签所在位置，即可实现定位。

优化算法关键是提高测量精度、降低误差并考虑影响因素。实现精确时钟同步，可采用 GPS 同步等方法。处理多径效应，用信号处理技术抑制或校正干扰。优化脉冲设计以提升性能。应对干扰可采用低噪声接收器等方法。考虑环境因素影响进行误差补偿，利用数据调整参数。

5 系统分析

5.1系统评估

UWB门禁系统具有多样化的功能模块，可以根据不同场所和需求进行定制。如结合人脸识别、指纹识别等技术，提供更加全面、安全的身份验证方式。

UWB门禁系统采用无线通信技术，无需暴露密码或实体卡片，有效降低了这些安全风险。同时，UWB技术的高精度定位功能，使得系统能够实时监控用户出入情况，及时发现异常情况并进行处理。

5.2系统缺点

（1）系统基站与标签分配问题：UWB门禁系统中基站与标签分配复杂，需确保基站覆盖和信号质量均衡，考虑不同人员、权限和场景需求，是一大挑战。

（2）硬件设施不完整：项目因能力受限未进行硬件搭建测试，后续会进行深度研究实现。

（3）算法存在误差：UWB技术虽高精度，但受干扰因素影响算法可能有误差，需优化算法提高对复杂环境适应能力。

（4）模块之间的结合：UWB门禁系统多模块结合紧密程度影响整体性能，实际中可能因技术差异等原因结合不理想，导致问题。

（5）集成化不够：随着趋势发展，门禁系统需与其他智能系统集成，目前项目在集成化方面有不足。

6 结语

文章设计并实现了一种基于Ultra-Wideband（UWB）技术的门禁系统，旨在解决传统门禁系统存在的安全性、精度和便捷性等问题。笔者通过对UWB技术的深入理解和应用，采用了先进的加密算法和安全协议，成功构建了一套高效、安全、智能的门禁系统，并在实验中验证了其在室内定位和距离测量方面的优越性能。该门禁系统在未来将会得到更广泛的应用，为建设安全、智能的社会做出重要贡献。

参考文献：

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[10]Ma T，Zhang D，Zhuang J，et al.TDOA-based UWB indoor 1D localization via weighted sliding window filtering[J].Digital Signal Processing，2024.

作者信息：

1.任耀坤，出生年月：2002-07，男，汉族，籍贯：河南省安阳市，所在院校：桂林航天工业学院， 学历：本科，研究方向：测控技术及神经网络深度分析。

2.简远鸣*，出生年月：1981-02，女，汉族，籍贯：广东省江门市新会区，所在院校：桂林航天工业学院，职称：副教授， 学历：硕士研究生，研究方向：混沌保密通信及DSP设计、应用电子技术。

3.梁若盼，出生年月：2003-07，女，汉族，籍贯：广西玉林市，所在院校：桂林航天工业学院，学历：本科，研究方向：测控技术与仪器电子测量。

4.苏喜滨，出生年月：2004-01，男，汉族，籍贯：广西玉林市，所在院校：桂林航天工业学院，学历：本科，研究方向：自动化。

5.刘文楠，出生年月：2003-06，男，汉族，籍贯：广西壮族自治区防城港市，所在院校：桂林航天工业学院，学历：本科，研究方向：电子信息工程。