基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：針對(duì)室內(nèi)無(wú)線區(qū)域定位的需求，設(shè)計(jì)了基于有源RFID（RadioFrequencyIdentification）技術(shù)的無(wú)線定位系統(tǒng)。

RFID讀寫(xiě)器和標(biāo)簽系統(tǒng)均采用低功耗MCU芯片PIC16F877A作為控制單元，以低功耗無(wú)線射頻收發(fā)器芯片CC2500為配合外圍濾波器和天線等構(gòu)成系統(tǒng)的通信單元。在讀寫(xiě)器與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的過(guò)程中，通過(guò)獲取RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示）信號(hào)推測(cè)出讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的距離，在獲得來(lái)自于多個(gè)具有固定位置信息的標(biāo)簽的RSSI信號(hào)后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)讀寫(xiě)器的無(wú)線定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的無(wú)線區(qū)域定位。

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)定位服務(wù)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足室內(nèi)定位的需求。GPS在戶外環(huán)境的定位中應(yīng)用廣泛，但是由于混凝土等障礙物對(duì)電磁波的阻擋，它在室內(nèi)環(huán)境中是完全失效的。筆者基于有源RFID技術(shù)，采用PIC系列單片機(jī)PIC16F877A和TI公司的射頻收發(fā)器芯片CC2500，設(shè)計(jì)出了一種低成本、低功耗，可以適用于室內(nèi)環(huán)境的無(wú)線定位系統(tǒng)。

1總體設(shè)計(jì)

RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)由讀寫(xiě)器和標(biāo)簽組成。其中讀寫(xiě)器按照功能劃分可以分為4個(gè)模塊，如圖1所示。分別是控制模塊、射頻通信模塊、定位信息顯示模塊、電源模塊?？刂颇K負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，包括對(duì)各種外設(shè)的控制，以及完成定位算法的運(yùn)行等。射頻通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)，采用ASK調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳輸。定位信息顯示模塊主要是顯示定位目標(biāo)的信息。電源模塊用來(lái)給系統(tǒng)的各個(gè)單元提供工作電源。另外，與上位機(jī)連接的讀寫(xiě)器通過(guò)RS-232串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，所以部分讀寫(xiě)器還帶有串口通信模塊。

圖4CC2500外圍電路原理圖

CC2500通過(guò)4線SPI兼容接口（SI，SO，SCLK和CSN）與PIC16F877A相連，這個(gè)接口用作寫(xiě)入和讀取數(shù)據(jù)。SI為數(shù)據(jù)輸入線，SO為數(shù)據(jù)輸出線，SCLK為時(shí)鐘線，CSN為片選信號(hào)線，低電平有效。SPI接口的狀態(tài)控制線還包含一個(gè)讀/寫(xiě)信號(hào)控制線。CC2500的狀態(tài)寄存器里指示一些系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息。

2.3電源模塊

RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)一般主要布置在樓宇、倉(cāng)儲(chǔ)建筑物等的內(nèi)部，有些具有移動(dòng)性，所以節(jié)點(diǎn)大多數(shù)需要采用電池供電，在元器件的選取中，盡量選擇低功耗器件以降低系統(tǒng)功耗，2.4~3.6V的電壓可以使系統(tǒng)中所有的器件和模塊正常工作。因此，實(shí)際中采用與之電壓匹配的高能紐扣鋰電池作為供電電源。

2.4電磁兼容與抗干擾設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)2.45GHz的RFID系統(tǒng)時(shí)要考慮電磁兼容性（EMC），以保證讀寫(xiě)器和標(biāo)簽在設(shè)定的電磁環(huán)境和規(guī)定的安全界限內(nèi)運(yùn)行。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，元件的選擇和電路設(shè)計(jì)是影響電磁兼容的重要因素，對(duì)于射頻通信模塊需要去耦電容來(lái)去除元件狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的噪聲電壓，并且要注意信號(hào)源和信號(hào)終端的阻抗匹配。PCB上的導(dǎo)線同樣具有阻抗、電感、電容特性，因此在PCB布局和布線也考慮了電磁兼容性等問(wèn)題。布局是按照信號(hào)流程放置元件，盡量縮短元件之間的連接，CC2500底部通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與地層連接。濾波電容盡量靠近器件放置，同時(shí)，為了抗電磁干擾，把數(shù)字電源和模擬電源、數(shù)字地和模擬地隔離開(kāi)來(lái)。RFID定位系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)位置應(yīng)盡量避開(kāi)高大障礙物，以減少對(duì)電磁波的阻隔，影響傳輸性能。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1定位算法的選擇

本RFID定位系統(tǒng)采用LANDMARC定位原理。LANDMARC定位算法適用于有源RFID室內(nèi)定位。它將具有固定位置信息的標(biāo)簽作為定位系統(tǒng)中的坐標(biāo)參考點(diǎn)，通過(guò)參考點(diǎn)標(biāo)簽與移動(dòng)讀寫(xiě)器之間的通信，獲取兩者之間的無(wú)線射頻信號(hào)強(qiáng)度值RSSI，繼而獲取讀寫(xiě)器與多個(gè)參考標(biāo)簽之間的RSSI值，根據(jù)RSSI與通信距離之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取讀寫(xiě)器與多個(gè)參考標(biāo)簽之間的距離關(guān)系。LANDMARC算法可以通過(guò)比較讀寫(xiě)器與參考標(biāo)簽之間RSSI值的大小來(lái)獲得離讀寫(xiě)器距離近的幾個(gè)參考標(biāo)簽，然后根據(jù)這幾個(gè)鄰近參考標(biāo)簽的坐標(biāo)，并結(jié)合它們的權(quán)重，可計(jì)算出讀寫(xiě)器的坐標(biāo)。

3.2RFID定位算法

無(wú)線信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系可以用式（1）來(lái)表示，其中RSSI是接收信號(hào)強(qiáng)度，d是收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離，n是信號(hào)傳播因子。

由式（1）中可以看出，常數(shù)A和n的值決定了接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系。射頻參數(shù)A和n用于描述網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境。射頻參數(shù)A被定義為用dBm表示的距發(fā)射器1m時(shí)接收到信號(hào)平均能量的。如平均接收能量為-40dBm，那么參數(shù)A被定為40。射頻參數(shù)n指出了信號(hào)能量隨著距收發(fā)器距離增加而衰減的速率，其數(shù)值的大小取決于無(wú)線信號(hào)傳播的環(huán)境。

RSSI值受周圍環(huán)境的影響較大，具有時(shí)變特性，有時(shí)會(huì)偏離式（1）的描述，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)出的距離d就會(huì)有較大誤差。通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析，采用了-個(gè)噪聲模型，即環(huán)境衰減因素模型，可有效補(bǔ)償環(huán)境影響帶來(lái)的誤差，如式（2）所示。

上式中EAF（dBm）為環(huán)境影響因素，它的值取決于室內(nèi)環(huán)境，是靠大量的數(shù)據(jù)累積的經(jīng)驗(yàn)值。EAF（dBm）是一個(gè)隨機(jī)變量，但為了增強(qiáng)實(shí)用性，將其固定為-個(gè)值。通過(guò)大量比較實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)得的RSSI值與理想狀態(tài)下的RSSI值，得到試驗(yàn)環(huán)境EAF（dBm）大概為11dBm，A取值45，n取值3.5。

在采集到RSSI值后，依據(jù)式（2）就可以得到讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的距離，通過(guò)LANDMARC三邊測(cè)量定位算法就可以定位出讀寫(xiě)器的位置。如圖5所示。

圖5三邊測(cè)量定位示意圖

假設(shè)標(biāo)簽1的坐標(biāo)為p1（x1，y1），標(biāo)簽2的坐標(biāo)為p2（x2，y2），標(biāo)簽3的坐標(biāo)為p3（x3，y3），讀寫(xiě)器坐標(biāo)為p（x，y）。則讀寫(xiě)器坐標(biāo)計(jì)算公式為：

由式（2）可以計(jì)算出讀寫(xiě)器的坐標(biāo)位置為：

3.3RFID定位系統(tǒng)的工作流程

定位算法以MPLABIDE7.4為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，經(jīng)過(guò)編譯、連接后生成機(jī)器代碼，到讀寫(xiě)器程序存儲(chǔ)器中。RFID定位系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6定位系統(tǒng)流程圖

4結(jié)束語(yǔ)。

筆者介紹了一種基于PIC16F877A和CC2500的有源RFID讀寫(xiě)器和標(biāo)簽的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及室內(nèi)RFID定位方法，對(duì)讀寫(xiě)器和標(biāo)簽系統(tǒng)的各個(gè)模塊及運(yùn)行于讀寫(xiě)器中的定位算法及其工作流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該有源RFID定位系統(tǒng)在小規(guī)模的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的定位精度。

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