基于RFID的定位系統(tǒng)

1、基于RFID的定位系統(tǒng)作者: 日期:基于RFID的定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、課題背景及意義隨著無線技術(shù)、移動(dòng)訃算器件的快速發(fā)展，人們對(duì)位置信息和定位服務(wù)有了 越來越多的需求。很多應(yīng)用對(duì)定位信息要求更加細(xì)致準(zhǔn)確。室外定位漸漸不能滿 足應(yīng)用的需求，室內(nèi)定位技術(shù)在近年來受到研究人員的關(guān)注。RFIDX稱射頻識(shí)別技術(shù)，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID標(biāo)簽具有 體積小、讀寫范圉廣、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可支持快速讀寫、移動(dòng)識(shí) 別、多H標(biāo)識(shí)別、唯一表示等。與GPS等成熟的定位技術(shù)相比，RFID更適合應(yīng) 用于室內(nèi)定位。有源RFID標(biāo)簽相比無源標(biāo)簽有更遠(yuǎn)的識(shí)別距離和更大的存儲(chǔ)容量，與互聯(lián) 網(wǎng)、通訊技術(shù)

2、相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤和信息共享，極大的擴(kuò)展了 射頻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。基于有源RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)地研究有著重要意義。首先RFID技術(shù)的相關(guān)研究為定位應(yīng)用做好了鋪墊。U前RFID的研究已經(jīng)取 得了很多成果。成本上，國(guó)內(nèi)和國(guó)外一些工藝已經(jīng)使得有源RFID標(biāo)簽的價(jià)格降 低到兒十美分，甚至十兒美分;標(biāo)準(zhǔn)上，很多國(guó)家已經(jīng)制定了自己的RFID標(biāo)準(zhǔn)， 其中山北美UCC產(chǎn)品統(tǒng)一編碼組織和歐洲EAN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)組織聯(lián)合成立的 EPCGlobal標(biāo)準(zhǔn)是市場(chǎng)占有量最大的一個(gè)。標(biāo)準(zhǔn)的制定在電子標(biāo)簽與讀寫器之間 的空氣接口、讀寫器與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換協(xié)議、RFID標(biāo)簽與讀寫器的性能 等方面做了統(tǒng)一規(guī)范，為減

3、化電子標(biāo)簽芯片功能設(shè)計(jì)，降低電子標(biāo)簽成本，擴(kuò)大 RFID應(yīng)用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。另外RFID安全與隱私降、防碰撞、天線技術(shù)隊(duì)等方 面也有了很多研究成果。其次有源RFID定位有著廣泛的應(yīng)用需求。在實(shí)際中依靠標(biāo)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的應(yīng) 用很多，比如RFID定位應(yīng)用于制造、物流等行業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)存貨的位置 檢測(cè)和對(duì)生產(chǎn)流的監(jiān)控，從而極大的提高生產(chǎn)和管理效率;應(yīng)用于煤礦等企業(yè)的 人員定位能極大地提高安全管理力度;應(yīng)用于醫(yī)院能實(shí)時(shí)定位設(shè)備，能更好的協(xié) 調(diào)設(shè)備和人員分配。因此基于有源RFID的定位系統(tǒng)是一個(gè)很有研究?jī)r(jià)值的領(lǐng)域。二、射頻識(shí)別技術(shù)2.1 RFID工作原理標(biāo)簽與讀寫器之間通過藕合元件（天線，線圈等）實(shí)現(xiàn)射頻

4、信號(hào)的空間（無接 觸）禍合，在藕合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)交換等。對(duì)于 無源RFID系統(tǒng)來說，標(biāo)簽通常需要貼近讀卡器。讀卡器通過天線發(fā)射一定頻率 的射頻信號(hào)，這些電磁波激活標(biāo)簽電路，標(biāo)簽的能量檢測(cè)電路將一部分射頻信號(hào) 轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)能量供其工作，標(biāo)簽獲得能量被激活后，將自身的序列號(hào)等信息 調(diào)制到射頻信號(hào)上后通過標(biāo)簽天線發(fā)送岀去，讀寫器接收到標(biāo)簽返回的射頻信號(hào) 后，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理，后臺(tái)計(jì)算 機(jī)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)功能做岀相應(yīng)的處理和控制。山于讀寫器的能量必須來回穿過障礙 物兩次，因此要求讀寫器有較大的發(fā)射功率。對(duì)于有源系統(tǒng)來講，山標(biāo)簽自身內(nèi)嵌的電

5、池為芯片供電，利用自身的射頻 能量主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器，調(diào)制方式可以為調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相。標(biāo)簽進(jìn)入讀 寫器的作用區(qū)域后，標(biāo)簽將自身的序列號(hào)等信息的發(fā)送給讀寫器。讀寫器的處理方式同對(duì)無源標(biāo)簽基本一致。此外讀寫器上還可以附加通信網(wǎng)絡(luò)模塊（CAN總線，工業(yè)以太網(wǎng)，RS485等）， 將讀出的標(biāo)簽信息通過通信網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸給后臺(tái)計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)識(shí)別信息的采 集、處理及遠(yuǎn)程傳送等數(shù)據(jù)管理功能。后臺(tái)計(jì)算機(jī)也可以通過通信網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)讀 寫器連接起來，構(gòu)成總控制信息平臺(tái)，根據(jù)不同的需求實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用功能。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)3-1定位系統(tǒng)架構(gòu)基于RFID的定位系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1：2. 4GHz無線通信參考節(jié)點(diǎn)1PC端：實(shí)現(xiàn)定

6、位算法及顯示串口未知節(jié)點(diǎn)參考節(jié)點(diǎn)2參考節(jié)點(diǎn)n圖1基于有源RFID的左位系統(tǒng)的架構(gòu)定位系統(tǒng)由后臺(tái)PC計(jì)算機(jī)、參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)組成，后臺(tái)計(jì)算機(jī)與參考 節(jié)點(diǎn)之間通過串口連接，參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)之間以ZigBee的方式通信。此架構(gòu)下，未知節(jié)點(diǎn)得到作用范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度后，可以通過串 口匯報(bào)給后臺(tái)計(jì)算機(jī);后臺(tái)計(jì)算機(jī)執(zhí)行定位算法，并實(shí)時(shí)顯示出未知節(jié)點(diǎn)位置。 3.2節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)3. 2. 1 CC2530芯片介紹CC2530是Chipcon公司（現(xiàn)被TI收購(gòu)）推出的針對(duì)IEEE 802. 15. 4/ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了工作在2.4 GHz的射頻收發(fā)器，擁有低功耗的 8051

7、MCU 內(nèi)核、32/64/128/256 KB 四個(gè)不同大小可編程 Flash ROM 和 8 KB RAM, 還有A/D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器等。另外,CC2530片上系統(tǒng)由CC2430加上Motorola 公司基于IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的無線定位引擎組成。其定位引擎支持316個(gè)參 考節(jié)點(diǎn)的定位運(yùn)算，最高精度可達(dá)0.5 m；定位時(shí)間少于40 us,定位區(qū)域?yàn)?4 mX64 m,定位誤差為35 m,與一般軟件定位相比，具有定位速度快、定位準(zhǔn) 確度高、消耗CPU資源少的特點(diǎn)。3. 2.2節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成成及實(shí)現(xiàn)參考節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)均釆用CC2530 ZigBee模塊作為主控模塊。每個(gè)參考節(jié) 點(diǎn)有自己

8、固定的ID號(hào)和位置坐標(biāo)，并不斷的向外界發(fā)送ID號(hào)和位置坐標(biāo)。當(dāng)未 知節(jié)點(diǎn)進(jìn)入某個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的射頻范圉內(nèi)時(shí)，就可以接收到該參考節(jié)點(diǎn)的信息和 RSSI值，當(dāng)接收次數(shù)達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)就取平均值并將該值以及參考節(jié)點(diǎn)的信息 通過串口發(fā)給后臺(tái)PC端，山PC端進(jìn)行定位算法的處理。圖2 ZigBee 位網(wǎng)絡(luò)控制界而山若干參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。如圖2中周 邊的4個(gè)圓圈代表參考節(jié)點(diǎn),地址分別為0xl43E、OxOOOK 0x3CB8、0x287B°這4個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已知，中間的圓圈(地址0x0002)為未知節(jié)點(diǎn)。未知節(jié)點(diǎn)可以 根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度，選取其中3個(gè)信號(hào)強(qiáng)度比較強(qiáng)的參考節(jié)點(diǎn)

9、，釆用三邊測(cè)量法 估算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。如圖2所示，未知節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示的坐標(biāo)為(6. 250. / O m) °圖3位定位算法的流程圖，包括后臺(tái)計(jì)算端的定位計(jì)算處理。圖3 CC2530定位引擎的定位流程3. 4定位計(jì)算機(jī)端設(shè)計(jì)3. 3.1 RSSI測(cè)距的實(shí)現(xiàn)原理基于RSSI的測(cè)距技術(shù)是利用無線電信號(hào)隨距離增大而有規(guī)律地衰減的原理 來測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離的。接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI與傳輸距離d的關(guān)系如下所示： RSSI=- (10XnXlgd+A)式中，n表示信號(hào)傳播常數(shù)，也叫傳播系數(shù)；d表示 與發(fā)送者的距離；A表示距發(fā)送者lm時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度。測(cè)距精度的高低受到n與A 實(shí)際取值大小的影響較大。

10、A是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可以通過測(cè)量距離發(fā)送者1m處 的RSSI值得到。n是用來描述信號(hào)強(qiáng)度隨距離增加而遞減的參量小的大小依賴 具體的環(huán)境。為了得到最優(yōu)的n值，可以先放置好所有的參考節(jié)點(diǎn)，然后嘗試用不同的n.index值找到最適合這個(gè)具體環(huán)境的n值。3. 3.2 RSSI測(cè)距定位算法實(shí)現(xiàn)流程圖4 RSSI測(cè)距定位算法實(shí)現(xiàn)流程圖3. 3. 3最小二乘法修正距離從式(1)可以看出，如果知道參考節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的RSSI值，則可以估 算出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。然而不同的環(huán)境下可能存在不同的信號(hào)干擾，采用節(jié) 點(diǎn)之間的RSSI值估算距離必然存在一定的誤差。這時(shí)可以根據(jù)特定的環(huán)境對(duì)測(cè) 量到的距離釆用傳統(tǒng)的最小二

11、乘法進(jìn)行修正7。得到修正后的距離，從而可以 更加精確地估算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。具體步驟如下： 根據(jù)實(shí)際情況布置好節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)(Mi,Ni)與未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo) 均已知?？梢愿鶕?jù)xi=(Mi-Mj)2+(Ni-Nj)2得到實(shí)際節(jié)點(diǎn)之間的距離。 根據(jù)式(1)估算出未知節(jié)點(diǎn)與各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間的距離yi。 采用最小二乘法擬合實(shí)際距離xi與估訃距離yi的關(guān)系。假設(shè)兩者之間的關(guān) 系為yi=axi+b,為了使所有數(shù)據(jù)偏差的平方和很小，假設(shè)R2二刀 mi=l (yi-axi-b)2o可以把R2看作自變量&和b的二元函數(shù),要使得R2最小, 分別對(duì)自變量求導(dǎo)，令其等于零。斗 £ (ax, + b

12、"a i-1iii叭另 xyj= 0i-l(3)于是變量a和b可以通過式(2)與(3)求出:刀治刃y)合=；.b = y axY (Xi xF其中參號(hào)。根據(jù)得到的a與b的值可以擬合出修正距離與估訃距離的關(guān)系Y修=aXX佔(zhàn)+b, 結(jié)合式(1)可以得到： 布置未知節(jié)點(diǎn)，通過式(1)估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離X,通過笫 3步擬合好的修正距離與估訃距離之間的關(guān)系修正佔(zhàn)訃距離，得到修正的距離Y修?！眐3. 3. 4未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)估計(jì)選擇3個(gè)接收信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的參考節(jié)點(diǎn)，采用三邊測(cè)量法估計(jì)岀未知節(jié)點(diǎn)坐 標(biāo)值8。假設(shè)3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)分別為(ma, na)、(mb, nb)、(me, nc), 未知節(jié)點(diǎn)E的坐標(biāo)(m, n)未知。通過23節(jié)4個(gè)步驟得到未知節(jié)點(diǎn)與3個(gè)參考節(jié) 點(diǎn)的修正距離分別為da、db、dec則根據(jù)兩點(diǎn)之間的距離公式可以得到式(5)：(m m, > 4-( n n,) d：<