基于RFID的定位系統(tǒng)

1、基于RFID的定位系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)一、課題背景及意義隨著無線技術、移動計算器件的快速發(fā)展，人們對位置信息和定位服務有了越來越多的需求。很多應用對定位信息要求更加細致準確。室外定位漸漸不能滿足應用的需求，室內(nèi)定位技術在近年來受到研究人員的關注。RFID 又稱射頻識別技術，是一種非接觸式的自動識別技術。RFID 標簽具有體積小、讀寫范圍廣、壽命長、抗干擾能力強等特點，可支持快速讀寫、移動識別、多目標識別、唯一表示等。與 GPS等成熟的定位技術相比，RFID更適合 應用于室內(nèi)定位。有源 RFID 標簽相比無源標簽有更遠的識別距離和更大的存儲容量，與互聯(lián)網(wǎng)、 通訊技術相結合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤

2、和信息共享，極大的擴展了射頻技術的應用領域?；谟性碦FID 的室內(nèi)定位系統(tǒng)地研究有著重要意義。首先 RFID 技術的相關研究為定位應用做好了鋪墊。目前RFID 的研究已經(jīng)取得了很多成果。成本上，國內(nèi)和國外一些工藝已經(jīng)使得有源RFID 標簽的價格降低到幾十美分，甚至十幾美分;標準上，很多國家已經(jīng)制定了自己的RFID 標準，其中由北美UCC 產(chǎn)品統(tǒng)一編碼組織和歐洲EAN 產(chǎn)品標準組織聯(lián)合成立的EPCGlobal標準是市場占有量最大的一個。 標準的制定在電子標簽與讀寫器之間的空氣接口、讀寫器與計算機之間的數(shù)據(jù)交換協(xié)議、RFID 標簽與讀寫器的性能等方面做了統(tǒng)一規(guī)范，為減化電子標簽芯片功能設計，降低

3、電子標簽成本，擴大RFID 應用領域奠定了基礎。另外RFID 安全與隱私降、防碰撞、天線技術隊等方面也有了很多研究成果。其次有源RFID 定位有著廣泛的應用需求。在實際中依靠目標檢測實現(xiàn)的應用很多，比如RFID 定位應用于制造、物流等行業(yè)，能夠實現(xiàn)對倉庫存貨的位置檢測和對生產(chǎn)流的監(jiān)控，從而極大的提高生產(chǎn)和管理效率;應用于煤礦等企業(yè)的人員定位能極大地提高安全管理力度;應用于醫(yī)院能實時定位設備，能更好的協(xié)調設備和人員分配。因此基于有源RFID 的定位系統(tǒng)是一個很有研究價值的領域。二、射頻識別技術2.1 RFID 工作原理標簽與讀寫器之間通過藕合元件（天線，線圈等）實現(xiàn)射頻信號的空間（無接觸）禍合，

4、在藕合通道內(nèi)，根據(jù)時序關系，實現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)交換等。對于無源RFID 系統(tǒng)來說，標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， 這些電磁波激活標簽電路，標簽的能量檢測電路將一部分射頻信號轉換成直流信號能量供其工作，標簽獲得能量被激活后，將自身的序列號等信息調制到射頻信號上后通過標簽天線發(fā)送出去，讀寫器接收到標簽返回的射頻信號后，對該信號進行解調和解碼，然后送到后臺計算機進行進一步處理，后臺計算機會根據(jù)系統(tǒng)功能做出相應的處理和控制。由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。對于有源系統(tǒng)來講，由標簽自身內(nèi)嵌的電池為芯片供電，利用自身的射頻能量主動發(fā)

5、送數(shù)據(jù)給讀寫器，調制方式可以為調幅、調頻或調相。標簽進入讀寫器的作用區(qū)域后，標簽將自身的序列號等信息的發(fā)送給讀寫器。讀寫器的處理方式同對無源標簽基本一致。此外讀寫器上還可以附加通信網(wǎng)絡模塊（CAN總線，工業(yè)以太網(wǎng)，RS48駢），將讀出的標簽信息通過通信網(wǎng)絡模塊傳輸給后臺計算機，以實現(xiàn)對識別信息的采集、 處理及遠程傳送等數(shù)據(jù)管理功能。后臺計算機也可以通過通信網(wǎng)絡將各個讀編輯版 word寫器連接起來，構成總控制信息平臺，根據(jù)不同的需求實現(xiàn)不同的應用功能三、系統(tǒng)設計3.1 定位系統(tǒng)架構基于RFID的定位系統(tǒng)的架構如圖1:2.4GH撫線通信參考節(jié)點1PCS：實現(xiàn)定 位算法及顯示串口未知節(jié)點參考節(jié)點2參

6、考節(jié)點n圖1基于有源RFID的定位系統(tǒng)的架構定位系統(tǒng)由后臺PC計算機、參考節(jié)點和未知節(jié)點組成，后臺計算機與參考 節(jié)點之間通過串口連接，參考節(jié)點和未知節(jié)點之間以ZigBee的方式通信。此架構下，未知節(jié)點得到作用范圍內(nèi)的參考節(jié)點的信號強度后，可以通過申口匯報給后臺計算機；后臺計算機執(zhí)行定位算法，并實時顯示出未知節(jié)點位置。3.2 節(jié)點的設計3.2.1 CC2530K片介紹CC2530是Chipcon公司（現(xiàn)被TI收購）推出的針對IEEE ,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 MCU內(nèi)核、32/64/128/256 KB 四個不同大小可編程Flash ROM和8 KB

7、 RAM,還有A/D轉換器、定時器等。 另外，CC2530片上系統(tǒng)由CC2430加上Motorola公司基于IEEE ,最高精度可 達0.5 m；定位時間少于40的，定位區(qū)域為64 mx 64 m,定位誤差為35 m,與一CPU資源少的特點般軟件定位相比，具有定位速度快、定位準確度高、消耗3.2.2 節(jié)點的構成成及實現(xiàn)參考節(jié)點與未知節(jié)點均采用CC2530 ZigBee模塊作為主控模塊。每個參考節(jié)點有自己固定的ID號和位置坐標，并不斷的向外界發(fā)送ID號和位置坐標。當未知節(jié)點進入某個參考節(jié)點的射頻范圍內(nèi)時， 就可以接收到該參考節(jié)點的信息和RSSI值，當接收次數(shù)達到某個閾值時就取平均值并將該值以及參

8、考節(jié)點的信息通過串口發(fā)給后臺PC端，由PC端進行定位算法的處理圖2 ZigBee定位網(wǎng)絡控制界面編輯版word2所示。如圖2中周由若干參考節(jié)點和未知節(jié)點構成的 ZigBee網(wǎng)絡圖如圖邊的4個圓圈代表參考節(jié)點，地址分別為 0x143E、0x0001、0x3CB8 0x287R 這4個節(jié)點坐標已知，中間的圓圈(地址 0x0002為未知節(jié)點。未知節(jié)點可以根據(jù)接收信號強度，選取其中3個信號強度比較強的參考節(jié)點，采用三邊測量法估算 出未知節(jié)點的坐標位置。如圖2所示，未知節(jié)點實時顯示的坐標為(6.25 m,5.75 m)圖3位定位算法的流程圖，包括后臺計算端的定位計算處理。A伯n伯，KA3I值)圖3 CC

9、2530定位引擎的定位流程3.4定位計算機端設計3.3.1 RSSI測距的實現(xiàn)原理基于RSSI的測距技術是利用無線電信號隨距離增大而有規(guī)律地衰減的原理 來測量節(jié)點間的距離的。接收信號強度RSSI與傳輸距離d的關系如下所示：RSSI=- (10XnXlgd+A) (1成中，n表示信號傳播常數(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1m時的信號強度。測距精度的高低受到 n與 A實際取值大小的影響較大。A是一個經(jīng)驗參數(shù)，可以通過測量距離發(fā)送者1 m處的RSSI值得到。n是用來描述信號強度隨距離增加而遞減的參量,n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，然

10、后嘗試 用不同的n_index值找到最適合這個具體環(huán)境的 n值。3.3.2 RSSI測距定位算法實現(xiàn)流程圖4 RSSI測距定位算法實現(xiàn)流程圖3.3.3 最小二乘法修正距離RSSI值，則可以估從式(1)可以看出，如果知道參考節(jié)點與未知節(jié)點之間的 算出兩個節(jié)點之間的距離。然而不同的環(huán)境下可能存在不同的信號干擾， 采用節(jié) 點之間的RSSI值估算距離必然存在一定的誤差。這時可以根據(jù)特定的環(huán)境對測 量到的距離采用傳統(tǒng)的最小二乘法進行修正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)點的坐標。具體步驟如下: 根據(jù)實際情況布置好節(jié)點，參考節(jié)點(Mi,Ni)與未知節(jié)點(Mj,Nj)的位置坐標均 已知。

11、可以根據(jù)xi=(Mi-Mj)2+(Ni-Nj)2得到實際節(jié)點之間的距離。 根據(jù)式(1)估算出未知節(jié)點與各個參考節(jié)點之間的距離yi。 采用最小二乘法擬合實際距離xi與估計距離yi的關系。假設兩者之間的關系為yi=axi+b,為了使所有數(shù)據(jù)偏差的平方和很小，假設R2=!2mi=1(yi-axi-b)2?？梢园裄2看作自變量a和b的二元函數(shù)，要使得R2最小，分別對自變量求導，令.4. hiMill下與（”A L 一堯尸一 2 1 k + b Z 其 N y； ） 二 0（2）、, EmHi蘇 X（叫+ k M） = 2卜七*m h Z卅）二。 !* 1. I I（3）于是變用r和h可以通過式（2）與

12、（3）求出：Z（k, 一 其）（、一y） n = !- * b = y fix孫一義戶 -L其中k p -y - S旦根據(jù)得到的a與b的值可以擬合出修正距離與估計距離的關系Y修=2乂*估+b ,結合式（1）可以得到：布置未知節(jié)點，通過式（1）估計未知節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離x,通過第3步擬合好的修正距離與估計距離之間的關系修正估計距離，得到修正的距離Y修。3.3.4未知節(jié)點坐標估計選才 3個接收信號強度最強的參考節(jié)點，采用三邊測量法估計出未知節(jié)點坐標值8。假設3個參考節(jié)點A、B、C的坐標分別為（ma,na） （mb,nb）、（mc,nc）,未知節(jié)點E的坐標（m,n）未知。通過2.3節(jié)4個步驟得到未知節(jié)點與3個參