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【硕士论文】基于半有源RFID的高精度无线定位系统设计与实现培养单位： 华北计算机系统工程研究所 专 业： 计算机应用技术 研 究 生： 王新锋 指导教师： 赵晴 高级工程师 日期： 2013年3月 独创性（或创新性）声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北计算机系统工程研究所或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解华北计算机系统工程研究所有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在我所攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华北计算机系统工程研究所。我所有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；我所可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定）保密论文注释：本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 基于半有源RFID的高精度无线定位系统设计与实现摘要在无线定位领域，全球定位系统(GPS)是最成功，也最出名的无线定位系统。 但由于GPS定位所需要的卫星信号非常微弱，当需要对目标进行精确定位的时候，GPS的定位技术并不适用。因此，研究一种适合于复杂无线环境下的高精度定位系统有重要的理论和现实意义。目前的常用的高精度定位技术有CSS定位技术、UWB定位技术和基于RFID的定位技术。其中CSS定位技术，UWB定位技术的定位精度高，但成本较高，而基于有源RFID的定位系统定位精度受环境影响很大，并不适用于复杂场景的大规模应用。本文详细的论述了无线定位的理论基础，研究并设计了有别于传统有源RFID定位技术的半有源高精度RFID定位系统。(1)综合分析CSS定位技术、UWB定位技术、有源RFID定位技术的优缺点，创造性地提出了基于半有源RFID定位系统的设计，分别在硬件布施成本、定位精度和系统单次有效运行时间上取得了质的飞跃。(2)提出了双重RSSI融合定位算法的应用，在综合分析微波频段的RSSI定位方法以后，结合低频段RSSI的特性，将两种RSSI定位数据进行有效融合，使得定位精度在局部区域和CSS定位系统、UWB定位系统的定位精度相当，比传统的有源RFID定位系统的定位精度更是有了很大的提高。(3)由于RFID设备使用时与应用环境有着非常紧密的联系，基于本文研究内容开发出了实际的定位平台，根据相关项目中的实际使用情况，对现场的相关天线或者设备的布施提出了实际性的建议。关键字：半有源，RFID，高精度，RSSI，定位AbstractIn the field of wireless location,global positioning system (GPS) is the most successful and most famous wireless positioning system. But as a result of GPS positioning need satellite signal is very weak,in the indoor environment, basically cant successful positioning.Therefore a suitable for indoor wireless environment of the positioning system has important theoretical and realistic significance.The high precision positioning technology is the CSS positioning technology, UWB positioning technology based on RFID and indoor positioning technology. The CSS positioning technology,UWB positioning technology,and based on RFID positioning technology fusion should be LANDMARK and SPOTOn and positioning technology,system positioning accuracy by the environmental impact is very strong.Its not suitable for large scale application of complex scenes.This paper discussed the wireless positioning theory,research and design.Its different from the traditional RFID positioning technology.The half active - high precision RFID positioning system.This paper Comprehensive analysises the CSS positioning technology;UWB positioning technology;active RFID positioning technology advantages and disadvantages.The half active - high precision RFID positioning system will have a good result.Keywords：Half -active，RFID，high-precision，location-v -目录第一章 绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 RFlD技术概述21.2.1 RFID系统的基本组成21.2.2 RFlD系统的基本原理31.2.3 RFID系统的工作频率与相关协议41.3 国内外研究现状71.3.1 RFlD的研究发展现状71.3.2 高精度定位技术的研究发展现状81.4 论文的选题意义和主要研究内容11第二章 无线定位技术132.1 无线定位技术的发展132.2 无线电波传播的特点132.3 无线电波定位的数学原理142.3.1 圆周定位142.3.2 双曲线定位142.3.3 方向角定位152.3.4 混合定位162.3.5 基于接收信号特征的定位技术172.4 位置信息的获取172.4.1 由信号传播延时计算距离172.4.2 由信号传输损耗计算距离192.4.3 信号到达方向角的获取202.5 本章小结20第三章 半有源RFID定位系统原理及组成233.1 半有源RFID系统定位系统架构233.2 半有源RFID系统定位技术简介243.3 半有源RFID定位系统的应用模式253.4 本章总结28第四章 半有源RFID高精度无线定位系统设计294.1 读写器设计294.1.1 读写器工作原理叙述294.1.2 读写器控制器的选择304.1.3 供电模块设计304.1.4 串口通信电路设计314.1.5 读写器以太网接口电路设计324.1.6 读写器接收电路设计354.2 电子标签设计384.2.1 电子标签工作原理叙述384.2.2 射频SOC CC2530简介394.2.3 射频电路硬件设计394.2.4 天线的设计404.2.5 低频唤醒模块的设计414.2.6 多标签防冲突算法设计444.3 定位器设计484.3.1 定位器工作原理叙述484.3.2 控制模块设计484.3.3 低频信号发射模块设计494.3.4 定位器低频发射天线的选型和布施504.4 本章总结54第五章 双重RSSI融合定位算法设计565.1 算法设计565.2 微波频段RSSI定位和低频RSSI定位565.3 多节点的选取575.4 多节点定位数据融合处理585.4.1 第一层定位数据的融合处理595.4.2 第二层定位数据的融合处理615.5 系统实际运行结果分析615.6 本章总结62第六章 总结与展望656.1 本文工作总结656.2 后续工作展望65附录 研究生阶段取得的成果67致谢69参考文献71第一章 绪论随着无线传感网络技术、大规模数据计算和云平台应用的不断发展，位置敏感信息的检测越来越引起了人们的巨大兴趣。与此同时，很多应用都需要得到对象的室外甚至是室内的位置信息，这种需求使得基于定位的服务系统受到了极大的关注。因此，学术界越来越关注定位技术的研究，在工程界定位技术的应用也越来越广泛。最近几年来，很多系统都致力于解决位置信息感知的问题。基于多层面技术设计的多种定位系统活跃在生产和生活的多个领域。这些实际的应用系统使得定位技术走向一个新的阶层，定位系统的各种指标都在不断地飞速发展。本章首先阐述课题的研究背景及意义，然后对RFID系统的工作原理和国内外定位系统的工作原理进行了详细的描述，最后给出了本论文的主要工作以及内容安排。1.1 课题研究背景和意义RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，它利用交变磁场或电磁场耦合的技术来实现自动识别的功能，于在二十世纪九十年代开始慢慢兴起。RFID射频信号实现信息传递，并通过所传递的信息达到识别的目的，它是一种非接触式的识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工即可自主工作，且在各种恶劣或复杂环境都可以正常工作。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。在油渍过多、灰尘污染严重、噪声系数较大的恶劣环境中RFID标签都可以正常工作，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距离射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。二战期间，利用射频电波来识别敌机和友机，即所谓的IFF(Identification Friend or Foe )。基于RFID技术的应用可以降低成本，且能有效提高管理与运作效率，因此在一些经济发达的国家和地区应用广泛，这些都积极推动了RFID相关技术与RFID标准的国际化。目前，RFID技术在生产制造和装配、文档追踪、图书馆管理、物流和供应管理、动物身份标识、航空行李处理、运动计时、门禁控制及电子门票、邮件包裹处理、道路自动收费等方面都有着了极为重要的应用。在其他应用方面，在药品和资产管理等方面取得了长足的进步，而且在商品物流应用方面，EPC成了积极的推动者和参与者。在2006年9月份沃尔玛宣布在其500家商店里采用RFID技术，使得RFID的商业化发展真正得到了很大的大步。美国国防部方面，在美国本土69个工厂安装了RFID系统，使得RFID朝着国防应用前进了一大步。在RFID应用方面，我国已经初步形成较完善的RFID产业链，射频芯片、封装、软件/中间件、系统集成等产业链各环节逐渐壮大，RFID产业的市场发展空间非常巨大。中国RFID产业发展迅速，2012年其市场规模超过了200亿元，比上年增长58.3。我国相关政府部门也格外重视中国的RFID产业发展，国家863计划已经将“射频识别（RFID）技术与应用”作为先进制造业技术领域的重大项目予以支持。关键芯片研究设计、多种类天线研究设计、多类型封装制造技术、多功能读写器集成技术、低功耗电子标签技术等RFID自身关键技术研究国家已经在不同计划中做出安排。基于RFID的具体应用已经成为其进一步发展的瓶颈问题。RFID作为一项先进的自动识别和数据采集技术，被公认为21世纪十大重要技术之一，其发展与人民的日常生活息息相关。目前，基于RFID技术的自组织无线传感器网络能提供跟踪、导航等内容的信息服务。这使得无线信息能广泛地通达到每一个用户，这就对包括室外定位和室内定位在无线网络中应用提出了更高的要求。射频标签（RFID）定位技术正在不断融入人民大众的普通生活当中，它可以在类似车库、仓库、滑雪场等特定的区域进行定位。在某些特定地点（例如进出口）放置一定数量的RFID读写器，就可以对经过的人或物（携带有RFID电子标签）做出自动判断，这对于需要出入较频繁的区域人或资产的定位管理是有相当大的意义的。如果想知道某些具体的人或物的动态信息，可以直接查询RFID后台软件系统内所记录的定位数据。随着RFID定位技术的不断发展，这种简单方便的定位技术已经出现在了各种行业之中。例如英国的部分一些医院对医疗器械、医疗保健设备的定位和追踪管理就采用了RFID定位系统，这样大大减少医用设备被盗和紧缺医疗设备使用效率低等情况的发生；日本某汽车公司为了对其汽车的物流供应进行管理，也建立了RFID定位系统，该系统有效减少了人工成本，并且使流程更加自动化，有效提高了生产效率；在美国科罗拉多州某个滑雪场，工作人员为游客配备了定位装置，游客手上所带的电子腕带会被布置在滑雪场内的多台读写器读到，这套RFID定位系统可以让工作人员获取游客的位置信息，对潜在的危险做出相应的防御。RFID定位精度取决与的RFID读写器的布施，不同形式的读写器布施会使定位给系统产生不同的定位效果，因此，RFID技术在室外尤其是室内定位领域，具有广阔的应用前景。1.2 RFlD技术概述1.2.1 RFID系统的基本组成传统的有源RFID系统的基本组成部分包括读写器、电子标签和后台软件系统，其基本组成如图1-2-1所示：图1-2-1 RFID系统组成图RFID读写器（阅读器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的读写器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元、信号处理单元以及读写器天线。读写器的信号处理单元的主要功能是防冲突算法的实现和信息的加密、解密、信息的校验和纠错；而射频单元和接口电路部分由控制单元总体负责；RFID读写器通常通过常用的接口如RS232、RS485、以太网接口、无线以太网和蓝牙等和后台软件系统进行数据交互。电子标签分为被动标签(Passive tags)、主动标签(Active tags)和半主动式标签三种。主动标签需要电池提供其工作的电量，读/写距离相对较远，体积也较大，成本比被动标签高，也称为有源标签，它的缺点是电池的寿命过短，当能量被发射/接收射频信号消耗殆尽的时候需要人工换电池。被动电子标签通过获取读写器发出的微波信号能量来供自己工作，这样电子标签的成本就可以降低很多，而且不需要人为主动去更换标签电池，其体积也比主动标签小很多，但是其有效的读写距离较有源标签也低很多。比之有源系统，无源电子标签读写器距离较近且当标签高速运动时容易出现漏读。从存储的信息能否被改写出发，标签也可以分为只读式标签和可读写式标签，只读式标签内的信息在电子标签生产时即被信息写入，其以后只能被专用读写器设备读取；可读写标签的信息存储在其芯片内部的存储区域，采用专门的编程设备才能改写其内部存储的数据。1.2.2 RFlD系统的基本原理系统的基本工作流程是：读写器通过发射天线发送相应频率的无线信号，当对应的电子标签在读写器工作区域时就会有感应电流产生，电子标签获得能量激活自己内部的工作电路；标签将自身的数据信息通过天线发射给读写器；读写器通过接收天线接收标签发送的无线信号，并对该信号进行解调、解码，然后把解调后的数据送到后台软件系统进行处理；后台软件系统继而对该标签的信息进行记录统计，如果标签还需要得到控制，那么读写器也可以给标签发出控制指令让标签进行相应的动作。在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从电子标签到读写器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法时基于不同的技术实现的，但从整体的系统的视野考虑，整个RFID系统又有相同的系统框架。因此读写器可粗略概括为高频接口和控制单元两个基本单元。高频接口由发送单元和接收单元组成，它能发射高频信号以激活电子标签并为其提供工作的能量；读写器在工作的时候会对所发信号调制，将经过调制后的数据发送给电子标签；电子标签解调来自读卡器的调制信号。目前，能够远距离进行发射/接收的RFID系统成本还较高，因此有效提高RFID系统工作的距离是一个非常值得研究的课题。系统的工作频段、读写器的发射功率、读写器的接收灵敏度、电子标签的功耗、天线的匹配、天线是否有方向、读写器和电子标签的耦合度，甚至包括电子标签获得的能量及主动发射数据的能量等都会影响读写距离。各种RFID系统的读写距离会有很大不同，一般来说写入距离会明显小于读取距离。1.2.3 RFID系统的工作频率与相关协议不同频段的RFID产品会有不同的特性，目前定义RFID系统的工作频率有低频、高频和甚高频的频率范围内的符合不同标准的不同的系统，而且不同频段的RFID系统会有不同的特性。总体分为无源、有源、半有源三种类型1。RFID技术在防伪、医疗、物流、生产、交通和实时定位等方面应用广泛，每年产生的经济效益已达到百亿规模。现有RFID相关产品覆盖于多个无线电频段，一般常见的工作频段有低频段的125KHz、1342kHz，高频段的1356MHz，超高频段的433MHz、860960MHz和微波频段的245GHz、58GHz。和RFID通信相关的空中接口通信规约目前也在积极的制定和完善中，目前应用较为广泛的标准有ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和ISO/IEC180002。1.2.3.1 低频段RFID技术在低频段领域的应用较为广泛。工作在该频段的RFID产品是利用电感耦合的原理进行工作， 通过读写器和电子标签之间的耦合作用，低频电子标签可以收到读写器发射的经过调制的数据并利用读写器发射的能量来工作。特性：（1）低频读写器和低频电子标签的工作频率分布在125KHz和1342KHz这两个频段。（2）低频段能穿过任意的非金属化材料。（3）低频段在全球的应用没有过多的限制（4）低频段的封装形式丰富多样。（5）低频段的读写区域相对均匀。（6）低频段数据传输速率较低。（7）低频读写器的成本相对较高。主要应用：（1）畜牧业的管制。（2）多领域的防失窃应用（3）车辆管理系统（4）门禁安全方面的应用。符合的国际标准：（1）IS011784：编码结构（2）IS011785：技术理论（3）IS014223-1：空气接口（4）IS014223-2：协议定义（5）IS018000-2：2004频率小于135KHz的空中接口通信参数1.2.3.2 高频段该频段工作的电子标签天线可以不再采用传统的线圈天线，因为在该频段的波长已经可以支持产品设计者用相应尺寸的PCB天线来作为感应线圈。高频段电子标签是基于负载调制的技术原理进行设计和工作的，应用负载调制技术，可以通过控制负载电压的接通和断开来实现电子标签和读写器之间的数据传输3。感性距离一般为10cm左右。基于该频段的RFID产品一般应用于考勤系统或者用来辅助超高频或者微波频段的RFID系统工作。特性：（1）工作频段1356Mhz为波长较长。 （2）可以穿过绝大多数非金属材料，但是引起感应距离的缩小。（3）在全球范围内该频段的应用无太多限制。（4）磁场分布相对均匀。（5）防冲撞算法。（6）数据传输速率低，但是成本也较低。主要应用：（1）音像管理（2）生产线物资管理（3）门禁应用（4）特授设备管理（5）医用设备管理符合的国际标准：（1）ISO/IECl4443：2001识别卡一无接触点的集成电路卡接近式卡（2）ISO/IECl5693：2001识别卡一无接触点的集成电路卡邻近式卡（3）ISO/IECl8000：20041356MHz频率下的空中接口通信参数1.2.3.3 超高频 超高频RFID系统通过电场来传输能量。在该频段电量随着传输距离的加长下降斜率并不大。所以该频段的RFID产品的工作边界较为模糊4。该频段的RFID产品总体分为有源和无源两大类，有源RFID产品通常这应用于需要远距离传输数据的场景中，该频段产品电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。无源RFID产品的识别距离较高频和低频也远很多，能达到15米，有的甚至能到30m左右。特性：（1）全球各地对该频段范围的划分并不一致，比如欧洲和亚洲的一些国家将频段范围划分到868MHz915MHz，日本则将其划分为950MHz956Mhz频带区域，而北美区域则标定为902MHz905MHz。该频段的波长为30cm左右。波长较短。（2）全球各地对该频段的最大功率输出没有达成统一的标准，美国为4W，欧洲则只有500mW。（3）该频段电波的穿透性限制性较大，不能穿过水、灰尘等颗粒物质。（4）该频段电子标签天线的设计形式多样，有PCB天线、芯片天线等多种样式，丰富了产品的形式。（5）能应用到需远距离数据传输的场合，但是最后产品作用的区域边界较为模糊。（6）数据传输速率高，可以应用多种防冲撞算法，使得电子标签不容易漏读。主要应用：（1）收费系统搭建（2）流水线自动化系统（3）物流系统搭建（4）无线定位系统符合的国际标准：ISO/IECl80006：2004860到960MHz频率下的空中接口通信参数1.2.3.4 微波随着RFID技术的快速发展，全球多个国家和地区都对频段资源有严密的规控，其中24GHz到248GHz频段是目前唯一无需使用认证的公用频带。目前在该频率范围内工作的电子标签均为有源电子标签，他们的特性性是工作距离较远、数据传输较快。多用于车辆收费、昂贵物品追踪等需远距离应用场合。符合的国际标准：ISO/IECl8000-4：2004245GHz频率下的空中接口通信参数1.3 国内外研究现状1.3.1 RFlD的研究发展现状在RFID技术方面，国内企业虽然参与并不是很充分，但已经做出了很多的努力。从射频IC设计到相关的标准制定以及测试这些关键环节都取得了不小的进展。目前已经有相当多的的高校和企业有能力开发出UHF和HF频段的电子标签和读写设备，其中HF频段的电子标签的更是得到了广泛的应用，在生产规模上领先与其他频段的电子标签。于此同时，相关的读写终端设备的研发能力也在不断提升，但是离大规模的生产阶段还有一定的距离，且因为国内相当的企业或高校没有能力获得辅助射频设计的高端的分析仪器，所以现在研发的相关读写终端设备总体上比国外同类的RFID读写终端有些许落后。值得一提的是，在基于RFID的软件系统集成领域，国内的发展形势可喜，目前大约有数百家家的企业还有部分高校在进行RFID中间件、数据挖掘、物联网云平台方面方面的研究，主要有深圳远望谷、苏州木兰、上海秀派、常州高特等一批企业，还有清华大学、华中科技大学、中科院计算所等教育研究院所。总体而言，依托于国家RFID、WSN等物联网相关的重要课题和市场对RFID等技术应用的刚性需求，相关企业和高校正在不断搭建能更多领域应用的RFID应用平台，包括中科院自动化研究所开发RFID公共服务体系基础架构软件和血液、食品、药品可追溯管理中间件、中电六所开发的基于RFID系统的实时定位系统、中科院计算所开发的基于tinyos的无线传感网络平台等都在实际场景下得到了很好的应用。在国外，美国，欧洲各国，亚洲的日本、韩国、印度以及澳大利亚都加大对RFID技术研发与应用的支持力度，并在政府部门率先采用RFID技术，以提高政府的管理效率和服务水平。RFID技术在全球掀起了阵阵热潮，吸引了众多厂商参与相关技术的研究、开发与生产。主要发达国家都将RFID作为一项增进其国际竞争力的重要产业予以积极推动。RFID技术研发、标准制定和产业发展取得了长足进展。从具体应用推广来看，欧美地区依然处于领先地位5。美国的RFID应用已经从军事应用，向交通、车辆管理、身份识别、仓储管理等领域有了很大延伸。欧洲地区德国、英国、法国、荷兰等国的RFID产业在交通、身份识别、物资跟踪等领域也有了比较广泛的应用。RFID应用领域的主要问题分为以下三点：（1）标准问题：目前，RFID技术已经具有了部分国际标准。但是国内RFID技术还仅有一些行业标准，而没有国家标准。制定与国际RFID标准相兼容的行业标准是我国RFID产业化和广泛化的一个重要工作。（2）安全问题：RFID技术的应用有着广阔的前景，但是其对隐私安全没有相应的保护措施，这极大的阻碍了RFID的广泛应用。因此，研究基于RFID技术的安全机制也是RFID相关技术中一个重要的课题。（3）多态性：RFID目前的应用还属于初级阶段，不同应用场合对RFID系统的要求都不同，这就导致RFID产品类型的多样性，RFID应用效果的多样性，因此研究统一标准、统一性能的RFID相关产品也是RFID不断发展的动力之一。1.3.2 高精度定位技术的研究发展现状美国的GPS全球定位系统应当是定位技术中广为人知的技术，但由于建筑物或者其他障碍物对卫星信号的屏蔽，GPS不能够提供准确室内的位置信息。为了能够得到复杂的应用场景下电磁传播提供的有效位置信息，国内外的专家、RFID从业人士提出了不少科学合理的定位方案。其中有采用标准的IEEE802.11网络对空间定位的系统RADAR，RADAR是采用信号传播模型和经验测试相结合方式的定位系统。该系统方便安装，应用较少的基站和相似的底层无线网络结构，而且布施的成本低廉，但是有一个要求，就是待定位的物体必须能够支持无线局域网，该定位精度在15米时，定位准确概率是506。ActiveBadge系统则采用红外线技术实现粗略定位，由于红外线的直线视距传播距离较短使得其定位范围很小，如果要在较大的房间内实现定位，就需要更多的信标节点。但是室内的LED灯具光照会造成假的红外线散射现象，给定位造成麻烦。CricketLocation采用超声波时延信号进行定位。该系统能以95的概率进行定位，且拥有9cm的定位精度，但其对传感器的放置位置要求很严格。费用相当昂贵。利用CSS技术进行定位也是特殊场合常用的一种高精度定位方案。其中NANOTRON 公司推出的NA5TR1这款芯片较为常用，它能够进行短距离的高精度测距。利用 245 GHz RF收发功能，NA5TR1芯片可支持测距功能，可以对多个定位节点之间的距离进行测量。一般应用环境下RF 灵敏度小于-95dBm，接收信号灵敏度也达到-95 dBm。它的适用范围为工业级，温度可以在-40度到+85度之间，可以工作23V27V的电压范围内。它还具有节省能量的工作模式，即掉电模式，在掉电模式下NA5TR1的最小工作电流小于2ua，该芯片集成了SPI接口、帧缓冲器和微控制器管理功能，外部控制器可以通过SPI接口去控制该芯片的工作模式，它还有四个通用的数据 I/O口，能后和多种传感器就行连接，在工业级应用对实时性要求较为严格的场合应用非常有效。NA5TR1有信道数据分散延迟线吸收快速尖脉冲序列接口默认的标准指令集，可编程上拉电阻，NA5TR1在24 GHzISM 频带即242483 5 GHz工作，根据实际的应用场景，可以编程配置芯片工作中应用80 MHz 的带宽或者22 MHz的带宽7。为了方便用户使用，NatronLOC公司提供了一种简单易用的集成有NA5TR1芯片的模块NANOPAN5375，NANOPAN5375是一款应用Nanotron公司的宽带线性调频扩频(CSS)全球专利技术并在其上整合了放大、滤波等组件的RF模块，体积仅有29mm15mm4mm，可大大降低对微处理器和软件的要求，轻松完成高级别系统的设计，如图1-3-1所示：图1-3-1 NANOPAN5375模块图另一种高精度的定位方式就是超宽带(UWB)定位。UWB技术是一种全新的、与传统通信技术有着很大差异的新通信技术。它的发送和接收的实现是基于纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲通信技术，和传统观意义上的通信机制有所区别这使其具有的带宽量级达到Ghz。国际上相关机构将超宽带的概念定义为：任何绝对带宽大于500MHz的信号或者相对带宽大于02都是超宽带信号。表达式如下：式中，和分别代表功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频率，为载波频率者中心频率。与传统的正选载波通信技术相比，UWB技术有着极大的优势，包括它强大的穿透特殊材料的特性、对时间的敏感性，极窄的脉冲宽度更有效地避免了多径效应造成的影响，且不会对其他频段的RFID产品造成干扰。应用超宽带技术进行定位并采用TOA定位方法将达到厘米级的定位精度能够满足精确定位的需求，但是带来的后果就是成本也提升了不少。UWB技术的研究在各个国家和地区都受到了重视，目前各国都在进行基于超宽带技术及其产品的研发工作。在美国国防部重点技术计划中，UWB技术已经连续好几年被列为研究计划项目中的重点课题。如美国MIT Lincoln实验室、LOS Alamos国家实验室、Georgia理工学院、英国RSRE实验室等都在进行关于UWB的研究。而日本、荷兰等国家也都在已经不断进行UWB技术的研发工作，这些都整体推动了UWB技术不断发展。LOCALIZERS定位系统是由美国的LOCATIO公司和NAETHER公司合作开发的基于UWB的实时定位系统。该系统通过待定位节点和读写设备之间的脉冲通信并通过监测通信信息中信号的伪随机码的时延来判断不同待定位节点到读写设备之间的距离。如果知道了三个或四个以上的参考点，该系统就可以获得待定位节点的3D位置信息。定位原理如图1-3-2所示：图1-3-2 UWB定位原理图Localizers系统中两点间最大距离未3060 m，其测距精度是l cm。除此之外，还有Unbise实时定位系统，它是由美国Ubise公司研究室研发出来的一套基于UWB技术的实时定位系统，该系统的组成包括传感器和漫游器两个部分，传感器利用漫游器不断发射UWB脉冲信号和包含识别符在内的传统I强信号来确定漫游器的位置。这使得Unbise实时定位系统的定位精度达到15cm。该系统硬件产品耗电也相对较少，一节3V干电池可以为该节点提供一年的电量，使其正常工作，但是Unbise标配系统的售价相对于RFID定位系统来说也是很高的，达1400美元，可以购买数十个RFID电子标签了8。还有另外一种Sapphire系统，它是由Multispectral Solutions公司开发的一套超宽带定位系统Sapphire。该系统的标准配置是4个接收机(读写器)、多个漫游器(电子标签)和后台软件系统，其系统结构如图1-3-3所示。图1-3-3 Sapphire系统结构图该系统的定位精度是为03m左右，经过软件算法处理后可以达到01m，漫游器(电子标签)的尺寸做的非常小，其直径只有3cm，且消耗功率极低，5s内平均输出的信强度为5nW。 1.4 论文的选题意义和主要研究内容无线传感网络技术的发展加速了人们对获取位置信息的需求，而高精度定位系统作为GPS的一种弥补和延伸，在近几年得到了较快的进步。现有的高精度定位系统都存在着诸如成本较高和定位时间长的问题。而日益进步的RFID技术作为一种成本低的定位方式得到了一定的重视，因此也有了不小的发展。但现有的基于有源RFID技术的定位精度严重依赖于定位的环境，在环境中存在大量障碍物时，定位精度将急剧下降。此外，有源电子标签的识别距离随标签内的电池能量的消耗而下降，其识别距离随着其电池电量的下降而变的极其不稳定，这也导致系统的定位精度也只是相对稳定的。且在基于有源RFID的定位系统中，读写器需要不停地读取电子标签的RSSI值来满足系统实时性的要求，因此电子标签能量消耗也会很大，这就直接导致定位系统的寿命的缩短。因此研究使用寿命长、定位精度高的RFID的定位系统有着重要的理论和现实意义。本论文对基于半有源RFID的高精度定位系统进行了研究和设计，论文具体组织结构如下：第一章绪论介绍了RFID系统的基本工作原理，工作的频段和相关的各种协议，分析了各种高精度定位的基本原理和优缺点。第二章无线定位技术首先概述了无线定位和无线传播的特点，然后详细分析了无线定位的几何原理和定位信息获取的方法，为后续章节打下理论基础。第三章介绍了半有源RFID系统定位原理与组成。第四章半有源高精度定位系统的设计是本论文的工作重点。本章首先分析了传统有源RFID定位系统在定位精度和定位可移植性方面的缺陷，接着引入了半有源RFID技术对其做出了探索性的改进。最后分别对半有源高精度定位系统中涉及到的读写器、低频定位器、定位标签等设备的设计做了详细的说明，并就RFID定位系统中应用的多标签防冲撞技术、标签低功耗技术做了细致阐述。第五章双重融合定位算法的设计也是本论文的创新点之一，本章首先详细分析了传统的基于高频段的RSSI定位技术的多种方法，提出了在无定位器作用的区域中应用混合定位方法可以大大提高定位精度，接下来介绍了在定位器作用的区域中融合处理高频段RSSI和低频段RSSI定位数据，以得到更优的位置输出。第六章总结与展望总结了本文的工作，指出了今后需要进一步研究的方向。- 135 -第二章 无线定位技术2.1 无线定位技术的发展随着无线传感网技术的发展，位置信息的获取越来越为方便人民生活中的重要一环，早起的定位系统是基于GPS技术开发的，它的定位精度在米级以内。但是GPS的应用并不大方便，它需要专门的接收机去获取位置信息，这就使得定位终端的复杂度大大增加，而且成本也提高了不少。随着无线通讯技术的迅速发展，利用已有的移动终端进行定位已经是一个巨大的需求。美国联邦通信于1996年颁布的E911，规定要对这些等待定位的移动终端提供定位服务，且在定位精度为125米时定位准确率不得小于67。接着它又于1998年提出了定位精度为400米时准确率不小于于90的要求。以此为基础，又提出当定位精度为50m时定位准确率不得低于67%9。随着在定位技术方面的不断深入研究，基于无线的定位系统在定位精度和定位准确率方面都有了很大的提高。相较于一些高精度的定位系统，GPRS、无线通信网等传统的无线定位方式都存在易受干扰且信号弱等缺点，这就使得其不适用于对人数较多且对定位精度又较高要求的目标应用场合。针对传统无线定位的特点，国内外多家科研机构都有着相应的技术解决方案，如CSS技术定位系统、UWB技术定位系统、RFID技术定位系统等。2.2 无线电波传播的特点无线电波可以通过多种方式从发射天线传播到接收天线，按照无线电波的波长来划分的话，电波可以分为长波（波长 1000米以上），中波（波长100-1000米），短波（波长10-100米），超短波和微波（波长为10米以下）等等。在面对不同的媒介时，同一频段的无线电波表现出不同的传播特性，在均匀且线性分布的媒介内部是沿着直线传播的；当遇到不同媒介中的分界面时会发生反射和折射现象，当遇到媒介中的不均匀物体时会造成散射现象的发生；当遇到球形地面时会发生绕射。在视距范围内的收发双方接收到的无线信号主要是基于视距传播的信号；当收发双方在视距之外时可以通过反射、绕射、散射等方式进行收发双方的通讯，这就是非视距传播。在非视距传播的信号由于传播时延和非视距功率衰减的原因，该传播信号所包含的收发双方的位置信息不大准确，这将造成非视距传播模式下无线定位精度的下降，在复杂无线环境下，如室内、林间，电波信号不仅功率小，而且覆盖范围小这就导致了电磁波的传播环境的更为复杂。所以，在通常需要定位的环境内，我们都要着重考虑无线信号的多径效应。2.3 无线电波定位的数学原理基本的无线定位具体有圆周定位、双曲线定位、方向角定位三种几何定位方法，它们是根据不同的几何图形，如圆、直线、双曲线的相交点来得到待定位点的几何坐标。2.3.1 圆周定位图2-3-1 圆周定位原理图如图2-3-1所示，当我们要测一电子标签和读写器之间的距离时，易知：该电子标签位于以读写器为圆心，电子标签到读写器距离为半径的圆周上，该圆的方程为(设读写器1的坐标为(，)，电子标签的坐标为(，)； (2-3-1)当读写器l、读写器2、读写器3到电子标签的距离均为已知时，电子标签就处于以读写器为中心，读写器到电子标签距离为半径的3个圆的交点。 (2-3-2)求解上述三个圆的方程，就可以得电子标签的坐标(x，y)，即电子标签的位置信息。2.3.2 双曲线定位图2-3-2 双曲线定位示意图如图2-3-2所示，设各个读写器到电子标签的距离为Ri(i=1，2，3)，各个读写器的坐标为(，)，电子标签的坐标为(x，y)，读写器1和读写器3到电子标签的距离差为，由几何原理可知：电子标签必位于以读写器1，读写器3的坐标为焦点，与两焦点的距离差为的双曲线对上，该双曲线的解析式为： (2-3-3)同理，当知道读写器1和读写器2到电子标签的距离差时，有表达式： (2-3-4)公式(2-3-3)和公式(2-3-4)所表示的双曲线交与平面上的一点就是电子标签的坐标位置，在实际的定位系统中这种交点会有多个，这时，可以采用一定的排除算法去掉一些不可靠的相交点一般可以根据定位的先验知识去掉另外一相交的点，然后得到另外一读写器3与读写器l到电子标签的距离，最后得到其它的双曲线方程： (2-3-5)联立方程2-3-3，2-3-4，2-3-5构成的方程，就可以得出读写器的位置估计。2.3.3 方向角定位图2-3-3 方向角定位原理图 如图2-3-3所示，当读写器测得电子标签发出的电磁波的入射角时，该电子标签必定位于一读写器为原点且以该入射角为夹角的一根射线上。同时利用两个读写器测得电子标签电磁波的入射角，那么电子标签就位于这两根射线的交点上11。假设读写器1与电子标签的夹角为，读写器2与电子标签的夹角为，读写器i的坐标为(，)，i=l，2；电子标签的坐标为(x，y)，则有表达式(2-3-6)： (2-3-6)由上面的方程组我们就会得出电子标签的位置估计，由方向角定位的原理可知，理论上只需要两个读写器就可以确定电子标签的位置。但是，如果参与定位的读写器比较多，数据的位置信息就越多，其定位的准确性和定位的有效性就越高。2.3.4 混合定位利用上述三种方法的组合我们可以得到另外一种定位方法，即混合定位。其中较常用的是方位角定位和圆周定位结合以及双曲线定位和圆周定位结合，在联立方程组的时候，有时会有多个解出现的情况，这时需要对多个读写器收到的标签无线数据进行方程处理。图2-3-4描述了圆周定位和方向角定位的基本原理：图2-3-4 混合定位原理由图2-3-4所示，当读写器测得电子标签到读写器的距离R，以及电子标签和读写器连成的射线与参考水平方向的夹角时，根据圆周定位和方向角定位的基本原理可知有如下的方程组(2-3-7)： (2-3-7)由方程组(2-3-7)可得到电子标签的位置，其他几种混合定位方法和该方法类似。2.3.5 基于接收信号特征的定位技术基于接收信号特征的定位技术一般情况下都是应用RSSI定位技术，RSSI 技术是通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术。RSSI 具有检测设备和机制简单、硬件成本低、实现简单等优点，但是由于在室内无线信号受反射、多径和衰退的影响，接受信号强度的分布有可能有过个峰值，这样就导致了就算通过多次测量平均值，也不能用以计算距离。所以对无线信号不能采用平均值的方式，而是要采用特征值分布的方式12，即要建立所定位区域内读写器所接收到的RSSI信号值，在定位时，将读写器实际得到RSSI值和后台数据库中的RSSI值相匹配，并以此来确定电子标签最终的实际位置，这时得到的定位精度较高。但是这种效果需要定位系统对数据库中所存储的用来匹配的RSSI值进行大量的处理分析，且需要根据不同的定位区域采集不同的定位数据，这种方法会建立规模很大的定位信息数据库，且这些数据的有效性得不到保障，尤其是在一些待改造的建筑物或者受天气影响较大的时候，这些数据很有可能失效。2.4 位置信息的获取无线电波在经过一段距离的传播以后会有时间上的延迟和幅度上的衰减，通过测量到达读写器端信号的时间延迟和幅度的衰减就可以得到电磁波的传播距离。2.4.1 由信号传播延时计算距