（通信与信息系统专业论文）有源rfid室内定位系统设计与实现.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 全球定位系统( g p s ) 的成功使人们对定位服务的需求同益增多，然而 在室内环境下，由于卫星信号接收受到严重干扰，g p s 无法满足定位精度的 要求。射频识别( r f i d ) 具有非接触、非视距、成本低且定位精度高的优点， 开始得到越来越多的关注，成为优选的室内定位技术。 本文在研究了现有室内定位技术的基础上，设计并开发出一套有源r f i d 室内定位系统。与目前大多数r f i d 室内定位系统采用基于接收信号强度 ( r s s ) 定位不同的是，本文采用基于信号到达时间( t o a ) 定位，利用c h i r p 信号进行时间测量，采用双路双边对称测距，并通过三角几何定位算法计算 目标位置，成功地将c s s 技术应用到了r f i d 定位系统中。本文根据系统功 能设计了读写器和有源电子标签的硬件电路，用c 语言设计了单片机的软件 部分；对于定位系统的后台监控和管理，采用c + + 设计了应用软件部分，最 后在室内环境下对系统的定位性能进行了测试，结果表明该系统具有较高的 定位精度，达到了设计的要求，具有广阔的应用价值和市场前景。 关键词：射频识别室内定位读写器有源电子标签 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h el o c a t i o n - b a s e ds e r v i c ei s g r o w i n g a st h es u c c e s so ft h e g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) h o w e v e rt h eg p sf a i l si ni n d o o re n v i r o n m e n t sb e c a u s e t h es i g n a l sr e c e i v ef r o ms a t e l l i t e so f t e ns u f f e rs e v e r ei n t e r f e r e n c e t h er a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) t e c h n o l o g y i s g e t t i n g m o r ea n dm o r e c o n s i d e r a t i o nt ob et h eo p t i m a ls e l e c t i o nf o ri n d o o rl o c a t i o ns y s t e m sb e c a u s eo f i t sc o n t a c t l e s s ，n o n el i n eo fs i g h t ，l o wc o s ta n dh i g ha c c u r a c y i nt h i sp a p e rw ef i r s ts t u d yt h ec u r r e n ti n d o o rl o c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h e n w ed e s i g na n di m p l e m e n tas e to fa c t i v er f i di n d o o rl o c a t i o ns y s t e m t h e l o c a t i o ns y s t e mw h i c hw ed e s i g nb a s e do nt i m e o fa r r i v a l ( t o a ) m e a s u r ei s d i f f e r e n tf r o mt h em o s tc u r r e n tr f i di n d o o rl o c a t i o ns y s t e m sw h i c hb a s e do n r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ( r s s ) m e a s u r e i nt h el o c a t i o ns y s t e m ，w eu s ec h i r p s i g n a lt om e a s u r ep r o p a g a t i o nd e l a ya n dr e a l i z es y m m e t r i c a ld o u b l es i d e dt w o w a yr a n g i n g 。a tl a s tw eu s et r i a n g u l a rg e o m e t r yl o c a t i o na l g o r i t h mt oc a l c u l a t e t h ep o s i t i o no ft h em o b i l et a g i nt h i sp a p e lw es u c c e s s f u l l yc o m b i n er f i d l o c a t i o ns y s t e mw i t hc s st e c h n o l o g y t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft h i sl o c a t i o n s y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hc + + l a n g u a g ea n dcc o m p i l a t i o nl a n g u a g e i nt h ee n d ， a p e r f o r m a n c ee x p e r m e n t o ft h i sl o c a t i o n s y s t e m i sc o n d u c t e dw h i c h d e m o n s t r a t e sad e s i r a b l el o c a t i o na c c u r a c ya n dm e e t st h er e q u i r e m e n t s t h i s l o c a t i o ns y s t e mh a st h ew i d ea p p l i c a t i o nv a l u ea n dm a r k e tp r o s p e c t k e yw o r d s ：r f i d ；i n d o o rl o c a t i o n ；r e a d e r ；a c t i v et a g 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 研究背景及意义 随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益 增大。在室外环境下，全球卫星定位系统( g p s ) 几乎达到了完美的地步， 其良好的定位精度解决了很多实际问题，然而在室内环境下，由于卫星信号 接收受到严重的干扰，g p s 的定位精度明显下降，已经不能达到定位的要求， 于是人们开始寻找一种替代技术以满足室内环境下无线定位的需求。超声波、 红外线、无线射频技术等都是用于室内环境下无线定位的几种主要技术。近 年来，随着射频识别( r f i d ) 技术的兴起，人们对r f i d 室内定位技术的研 究也越来越多，使用r f i d 技术进行室内定位具有成本低、定位精度高、受 环境影响小、传输范围大等优点。目前r f i d 室内定位技术主要应用于企业 人员、资产追踪与管理、医院对患者的实时定位、仓库管理等领域。 r f i d 是一种利用无线射频信号进行非接触式双向数据通信，并对目标 加以识别并获取相关数据的技术，该技术具有非视距、免接触、高速识别等 特点。r f i d 技术以其独特的优势，逐渐地被广泛的用于零售业、车辆识别、 门禁控制、资产追踪、产品防伪、生产线自动化、停车场管理等领域。随着 各应用领域对定位需求的不断加大，对r f i d 定位技术的研究在理论和实践 方面都具有了重要的意义。 r f i d 定位被称为“定位新星 ，该技术是继g p s 定位技术之后兴起的一 个重要定位技术。r f i d 定位系统具有自组织性，无需卫星或者手机网络的 配合，用户可以根据自身的实际需要，在自己布置的特定区域进行定位，因 此，r f i d 定位系统对于需要在特定区域进行定位的用户，如仓库、图书馆、 医疗部门等需要定位、监控以及导航的场合，都具有重大的价值。根据调查， 仅2 0 0 8 年一年，全球使用r f i d 定位技术的企业就比前一年增长了3 倍之多， 从医疗部门到制造业，在需要实时数据以及需要定位的地方，都出现了r f i d 定位系统的身影。例如在英国，一些医院应用r f i d 定位系统对医院内的贵 重医疗器械进行定位和追踪，从而有效降低了医疗器械失窃的可能性；丰田 汽车制造公司在汽车物流供应链建立了r f i d 定位系统，该系统不但降低了 人工成本，而且使工作流程自动化，提高了整个流程的工作效率。因此，r f i d 室内定位技术具有广阔的应用前景。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2国内外研究现状 1 2 1射频识别技术概况 射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是2 0 世纪9 0 年 代开始兴起的一种自动识别技术，它利用射频信号通过交变磁场或电磁耦合 实现信息传递并通过所传递的信息达到识别的目的。通常情况下射频识别系 统至少包括两部分，电子标签和读写器。电子标签( t a g ) 通常由天线和芯片组 成，每个标签具有唯一的电子编码，电子标签存储着需要被识别物品的相关 信息，被放置在需要识别的物品上，它所存储的信息可被读写器通过非接触 方式读写。读写器( r e a d e r ) 可以利用射频技术无接触地读取电子标签信息， 并通过计算机系统或网络实现对物体识别信息的采集、处理以及远程传送。 射频识别技术依据其不同的工作频率分为低频、中高频和超高频，不同 频段的r f i d 产品具有不同的特点。低频和中高频电子标签典型的工作频率 为1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z ，这两个频段标签芯片一般采用c m o s 工艺，具有省 电、廉价的特点，适合于近距离、低速度的识别应用。超高频电子标签典型 的工作频率为4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 等，其特点是电子标签及读写器 成本较高、读写距离远、标签内存储数据量大，用于移动物体识别、仓库物 流、人员定位等方面。其中，超高频段的r f i d 系统在北美得到了较快的发 展：而欧洲则以有源2 4 5 g h z 系统为主。 根据电子标签的供电形式，分为有源电子标签( a c t i v et a g ) 和无源电子 标签( p a s s i v et a g ) 。有源电子标签也叫主动标签，标签内装有电池，使用标 签内电池的能量，识别距离远，可达几十米到上百米，不足之处是电池寿命 有限。无源电子标签也叫被动标签，标签内不含电池，由读写器提供能量， 无需附加电池，无源标签体积较小、使用时间长，但读取距离都很短，一般 只有几十厘米，而且需要读写器有较大的发射功率。 近几年，r f i d 技术已经成为市场的热点，被公认为是2 l 世界十大重要 技术之一，当前国内外对r f i d 技术的研究主要围绕三个方面：r f i d 标准的 制定、r f i d 技术研究和r f i d 应用研究。 许多国家和地区都在积极的制定自己的标准，到目前为止，世界上还没 有形成统一的r f i d 技术标准，目前，比较有影响力的标准有i s o i e c l 8 0 0 0 、 e p cg l o b a l 和u i d 。i s o i e c l 8 0 0 0 标准是最早的关于r f i d 的国际标准，支 持i s o i e c l 8 0 0 0 标准的r f i d 产品最多，相对来说也是最成熟的。e p cg l o b a l 是由u c c 和e a n 联合发起并成立的非盈利性机构，由i b m 、m r i c r o s o f i 公 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 司和a u t o i d 实验室等联合进行技术研究支持。除了发布工业标准外，e p c g l o b a l 还负责e p cg l o b a l 号码注册管理，全球最大的零售商沃尔玛集团和英 国t e s c o 等1o o 多家欧美流通企业都是e p cg l o b a l 的成员。u i d 标准由日本 泛在识别中心负责制定，该标准对频段没有强制要求，读写器与电子标签都 是多频段设备，能够同时支持13 5 6 m h z 或2 4 5 g h z 频段。u i d 制定了具有 自主知识产权的r f i d 标准，提出了u c o d e 码，既与日本已有的编码体系兼 容，同时也兼容国际上包括e p cg l o b a l 编码体系在内的其他编码体系。不同 的标准组织代表了不同国家或集团的利益。目前我国政府也意识到r f i d 产 业的重要意义，j 下在加紧制定自己的r f i d 标准。 r f i d 技术在国外发展较早，美国在标准的制定，相关硬件技术的开发、 应用等方面走在了世界的前列。t i 、i n t e l 公司目前都在r f i d 领域投入了巨 资进行芯片研发；i b m 、m i e r o s o f 等公司也在积极开发相应的软件来支持 r f i d 的应用。欧洲的r f i d 标准追随美国e p cg l o b a l 主导的标准，p h i l i p s 、 s t 微电子公司正在积极研发廉价的r f i d 芯片；c h e c k p o i n t 以及n o k i a 公司 在开发支持多系统的r f i d 识别系统。在r f i d 应用方面，欧洲与美国目前 处于同一阶段。日本虽然提出了u i d 标准，但主要得到的是本国厂商的支持， 想要国际标准还有较长的路要走。而韩国则主要通过政府对r f i d 产业的高 度重视，运用国家的发展计划，联合企业的力量来推动r f i d 技术的发展。 我国的r f i d 工业发展十分迅速，目前已经掌握了芯片设计技术，并成 功实现了产业化。我国r f i d 在门禁系统、票证防伪、电子支付等领域已经 形成了成熟的应用模式，但这些领域的应用多集中在低高频段，在超高频段 的大规模应用还处在起步阶段，技术水平还远没有达到成熟的地步，与国外 的应用相比，超高频段是中国r f i d 产业的薄弱环节。近年来，我国政府已 经加大了对r f i d 产业的支持力度，国内不少高校和企业都已经开始重视并 投入力量研究r f i d 的相关技术，并在相关领域已经取得了初步成果。 1 2 2r f i d 定位技术研究现状 随着集成电路设计技术的日益成熟，单片集成的规模也越来越大，原有 的g p s 不能覆盖室内范围的问题逐渐引起了的人们的重视，人们开始致力于 解决室内定位问题的的研究。近年来，许多技术和方案被提出来用于室内定 位，这些技术主要包括红外线技术、超声波技术、r f i d 技术。 红外线定位具有较高的室内定位精度，但是它要求定位物体和红外线阅 读器必须成一条直线，当标识放在口袋或者有墙壁遮挡时就不能正常工作， 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 而且定位距离太近，已经脱离了实际使用的意义，因而限制了其进一步的发 展。超声波定位主要采用反射测距法，通过三角定位等算法确定物体的位置。 可以实现最高精度9 c m 的定位。但是超声波受多径效应和非视距传播影响很 大，同时需要大量的底层硬件设施，铺设面积大，成本太高，无法大面积推 广。r f i d 定位技术是利用射频方式进行非接触式的双向通信以达到识别和 定位的目的，这种技术成本低、传输范围大，同时具有非接触和非视距的优 点。目前已经成为优选的室内定位技术。 当前国内外对r f i d 定位技术的研究主要集中在两个方面，即定位算法 和定位方案。比较流行的定位算法主要有三角定位法、位置指纹算法、空间 临近法。不同算法其定位精度、算法复杂度以及对硬件的要求等方面都有很 大的区别，因此在实现定位系统的时候需要根据实际的环境和需求选择合适 的算法。在r f i d 定位方案研究方面，国外的关注较早。早在2 0 0 0 年，华盛 顿大学的j e r f e yh i g h t o w e r 和r o yw a n t 等人就提出了s p o t o n 系统，该系统 基于信号强度分析。2 0 0 3 年密歇根州立大学的l i o n e lm n i 提出了 l a n d m a r c 系统以及基于接收信号强度值( r e c e i v es i g n a l s t r e n g t h i n d i c a t i o n ，r s s i ) 的定位方法忆，该方法由有源r f i d 电子标签和读写器组成。 l a n d m a r c 系统对r f i d 室内定位系统产生了较大的影响，许多国内外的 研究成果都是基于l a n d m a r c 系统作出的改进。2 0 0 5 年i b m 提出了 b l u e b o t 系统，该系统由无源r f i d 标签和无线局域网i e e e s 0 2 1 1 b 组成。目 前，国内对这方面的研究主要集中在算法分析上，尚无成熟的算法提出，国 内从2 0 0 6 年开始陆续有一些大学和科研单位开始对相关技术进行研究，但这 些研究基本上是针对算法分析和具体应用项目，还没有研究出具有良好定位 精度以及实时性能的r f i d 室内定位系统。 1 3论文研究内容 定位系统是将硬件、软件、通信协议、定位算法等多种技术相互结合的 复杂系统，本文在总结了r f i d 技术原理的基础上，广泛深入的了解国内外 常用的r f i d 定位算法和定位方案，然后结合室内环境实际情况，并充分考 虑了定位系统的需求，选择合适的系统硬件和定位算法，开发出一套可用于 室内环境的有源r f i d 实时定位系统。 本文首先结合以往无线定位系统的特点，并根据系统的实际需求，提出 了用于该定位系统的应用框架。该框架分为三层，数据采集层主要包括了电 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 子标签0 读写器和一些必要的通信设备，负责无线信号的采集；数据处理层 包括了定位算法和上层应用接口；外部应用层利用数据处理层提供的接口实 现各种定位服务。这种框架将定位系统中的无线技术、定位算法和应用程序 分层实现，提高了系统的灵活性。然后，在此基础上设计了读写器和有源电 子标签的硬件电路以及通信协议，并通过软件编程实现了系统测距功能。最 后，设计了适合该定位系统的室内实时定位软件，并对系统的定位性能进行 了测试和分析。 1 4论文结构 本文共分六章，内容安排如下： 第一章，绪论。主要介绍了论文的研究背景和研究意义、r f i d 及其定 位技术的国内外研究现状，以及论文的研究内容和论文结构。 第二章，r f i d 室内定位技术研究。首先介绍了r f i d 定位的基本原理， 对r f i d 定位原理的了解有助于对r f i d 定位系统研究。然后介绍了目前流 行的几种定位技术以及r f i d 室内定位算法，最后介绍了几种常见的r f i d 室内定位方案。 第三章，有源r f i d 室内定位系统方案设计。本章从实际出发，对有源 r f i d 室内定位系统的需求进行了分析，在此基础上，提出了系统的总体设 计方案，并对系统涉及到的关键技术进行了研究，最后对系统组成的各个部 分进行了介绍。 第四章，读写器的设计与实现。本章对有源r f i d 室内定位系统的读写 器进行了较为详细的分析和设计，同时根据系统的需求，制定了读写器与电 子标签之间的通信协议和通信包类型，最后根据硬件电路，编写了相应的c 语言程序。 第五章，有源电子标签的设计与实现。本章对有源r f i d 室内定位系统 的电子标签进行了较为详细的分析和设计，并对电子标签的软件工作流程、 测距流程以及防冲突设计进行了详细的介绍，根据硬件电路，编写了相应的 c 语言程序，最后在室内环境下对系统的测距性能进行了测试和分析。 第六章，室内定位系统的设计与实现。本章从应用的角度，对整个系统 进行了分析，详细阐述了系统的整个工作过程，并根据相关需求设计了有源 r f i d 实时定位系统软件，最后在室内环境下对系统的定位性能进行了测试 和分析。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 2 r f i d 室内定位技术研究 2 1r f i d 定位基本原理 r f i d 定位与其他无线定位具有相似的原理，图2 1 显示了一个无线定位 系统的基本功能框图，该图是由p a h l a v a n 等人提出的，从图中可以看出， 一个基本的无线定位系统由三部分组成：一组检测装置、一套定位算法和一 个显示系统。 无线信号 t o a 、a o a 、r s s 等位置坐标 囤日 园日 园 图2 一l无线定位系统功能框图 f i g 2 1 f u n c t i o n a ib i o c kd i a g r a mo fi o g a t i o l 3 s y s t e m s r f i d 定位系统的工作原理非常简单。首先，检测装置接收电子标签发出 的无线射频信号，或者发送无线射频信号给电子标签。为了进行定位计算， 这些检测装置需要将接收到的无线射频信号再转换成定位算法需要的形式， 如信号到达时间、信号到达角、信号接收强度等。然后，利用这些信息再加 上已知参考点的位置坐标组成一个定位矩阵，定位算法利用一些计算手段， 对该定位矩阵进行处理，从而计算出定位目标的位置坐标。最后由显示系统 将位置坐标信息转换成适当的形式显示给终端用户。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 室内定位技术 2 2 1 超声波技术 超声波测距大多采用反射式测距法，通过三角定位算法确定目标的位 置。超声波定位系统由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在 被测物体上，向位置固定的应答器发射无线信号，应答器在收到无线信号后 同时向主读写器发射超声波信号，根据回波与发射波的时间差得到主测距器 与各个应答器之间的距离。当同时有三个或者三个以上不在同一直线上的应 答器回复时，就可以计算出被则物体的位置坐标。超声波定位整体精度高， 结构简单，但是超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的 底层硬件设施，铺设面积大，成本太高，无法大面积推广。 2 2 2w i f i 技术 w i f i 定位引是基于无线局域网的定位系统，在一定区域范围内安装适 量的无线基站，根据这些基站获得的待定位物体发出的信号强度信息，结合 基站拓扑结构综合分析，从而确定物体具体的位置。当前比较流行的w i f i 定位是无线局域网系列标准之i e e e s 0 2 1 l 的一种定位解决方案，该系统采用 经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，需要很少基站，能够采 用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。但无论是用于室内还是室外， w i f i 收发器都只能覆盖半径9 0 米以内的区域，而且容易受到其他信号和物 体的干扰，从而影响定位精度，而且定位器的能耗高，不适合长时间使用。 2 2 3u w b 技术 u w b ( 超宽带) 技术 1 是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通 行新技术。按照美国联邦通信委员会( f c c ) 规定，超宽带技术是指在3 1g h z 到l0 6 g h z 频段范围内占用带宽大于5 0 0 m h z 的无线通信方案，超宽带不使 用传统通信体制中的载波，而是利用纳秒级的极窄脉冲传输数据，因此其所 占的频谱范围很宽，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、定 位精度高等优点，适合于高速、近距离的无线个人通信。虽然超宽带有厘米 级的定位精度，但是超宽带的通信范围仅有几米，对于大多数的定位和跟踪 应用，范围太小，不适用，此外使用超宽带技术定位的成本也比较高。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 4r f i d 技术 r f i d ( 射频识别) 定位技术川9 1 是利用射频方式进行非接触式的双向通 信以达到识别和定位的目的。基于r f i d 技术的室内定位系统通常把读写器 的位置作为已知参考点，然后通过测量读写器与电子标签之间通信的信号强 度或信号达到时问延迟对电子标签位置进行估计。根据电子标签的供电方式 不同分为有源r f i d 定位系统和无源r f i d 定位系统，其中有源r f i d 定位系 统识别距离远，一般可达几十米到上百米，传输范围大，成本较低，同时由 于其非接触和非视距等优点，已经成为优选的室内定位技术。 2 2 5c s s 技术 2 0 0 6 年l o 月最终确定为德国n a n o t r o n 公司的c s s 提案作为i e e e 8 0 2 1 5 4 a 标准，淘汰了u w b 方案。c s s 0 1 i i ( c h i r ps p r e a ds p e c t r u m ) 技术 是指利用c h i r p 信号也称作线性调频信号进行扩频的通信方式，是c h i r p 信 号的m d m a ( m u l t id i m e n s i o n a lm u t i p l ea c c e s s ) 调制技术的首次实现，具有鲁 棒性，电路简单的特点。c s s 的室内最大通信范围是2 0 0 米、室外是9 0 0 米。 具有相当大的覆盖范围，能够提供几十厘米的测距精度。就目前技术而言， 这种定位技术相对于基于w i f i 、超声波等室内定位技术有一定应用范围内 的优势。 2 3 r f i d 室内定位算法 对于r f i d 定位，k o i d e 等人曾提出使用无源r f i d 做室内定位的研究， 但由于无源r f i d 只能依靠电子标签的信息是否被读取到，来追踪电子标签 携带者的所在位置，定位方式单一且定位误差大，因此现在r f i d 定位的研 究大多是以有源r f i d 为主，本文也将着重讨论有源r f i d 定位技术和算法。 在室内环境下，无线信号容易受到折射、反射和严重多径效应的影响，迄今 为止还没有很好的室内环境下信号传播模型。目前，在r f i d 室内定位算法 中，以三角定位算法为主，之后又相继出现了指纹算法以及临近算法。总体 来说r f i d 室内定位算法可以分为三大类：基于三角关系的定位、基于指纹 的定位、临近算法定位。 2 3 1基于三角关系的定位 基于三角关系的定位是根据测量得出的移动目标到已知参考点之间的距 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 离，利用几何三角关系计算被测目标的位置坐标。它是最主要，也是应用最 为广泛的一种定位方法。按照测距技术的不同可以分为利用信号到达时间、 信号到达时间差、信号到达角度和接收信号强度等信息进行定位。 ( 1 ) 信号到达时间 信号到达时问即t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) 。，”，该方法利用无线射频信号 在移动目标与检测装置之间的传播时间进行测距。由于无线射频信号的速度 接近光速( c = 3 xl0 子r e s ) ，因此可以很容易的计算出移动目标到检测装置之 问的距离即：厂f = f j f f t o ) c 。 图2 - 2基于信号到达时间定位 f i g 2 - 2 p o s i t i o nb a s e do nt o am e a s u r e m e n t 通过测量移动目标到附近三个检测装置的距离值就可以计算出移动目标 的位置坐标，如图2 2 所示，其中a 、b 、c 为三个检测装置，p 为移动目标， 根据几何原理，移动目标位于以检测装置的位置为圆心、检测装置与移动目 标距离为半径的圆的交点上，当检测装置位置坐标已知，则满足下列方程： r222 i 吒= + 虼 r 2 z = ( x 2 一x m ) z - i - ( y 2 一y 肌) 2 ( 2 1 ) ir 3 z = ( x 3 一x 肌) z - i - ( y 3 一y m ) z 联立方程就可以求出移动目标p 在空问的位置坐标。 基于t o a 的定位方法定位精度较高，但使用t o a 定位会带来以下两个 方面问题，首先，需要发送信号装置和接受信号装置必须保持同步。其次， 由于室内存在严重多径干扰，对设备的日寸= 间分辨率提出了更高的要求。因此， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 如何解决这两个问题成为t o a 定位的关键。 ( 2 ) 信号到达时间差 信号到达时间差即t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) l i ，是通过测量 移动目标发出的信号到达各个检测装置的时间差来对目标进行位置估计。与 t o a 相比，t d o a 不需要保证每个检测装置之间的时钟同步，因此大大降低 了系统的复杂度。 ，! a ，一一 1 o 图2 - 3 基于信号到达时间差定位 f i g 2 3p o s j t i o n i n gb a s e do nt d o am e a s u r e m e n t 如图2 3 所示，a 、b 、c 为三个检测装置，p 为移动目标。设各个检测 装置到移动目标的距离分别为r i ( i = l ，2 ，3 ) ，各个检测装置的坐标为( x i ，y i ) ， 移动目标的坐标为( x ，y ) ，检测装置a 与检测装置b 到移动目标p 的距离差 为r 1 2 = r 1 r 2 ，由几何原理可知：移动目标p 必位于以检测装置a 和检测装置 b 的坐标为焦点，与两焦点的距离差为r 1 2 的双曲线上，该双曲线的表达式为： 厂_ = _ = 广= _ = ( 一x ) z + ( y l y ) 2 一( 吃一x ) 2 + ( 儿一y ) z = 1 2 ( 2 - 2 ) 同理，当知道检测装置b 和检测装置c 到移动目标p 的距离差r 2 3 时，有表 达式： 厄j 矿而一瓜i 矿石：矿= r 2 3 c2 - 3 ) 根据公式( 2 2 ) 和公式( 2 3 ) 就可以计算出移动目标的位置坐标，但有时 候计算出来的交点有多个，这时，可以根据定位的先验条件除去另外不可能 的点。如果先验条件不能去掉，则需要测量另外一检测装置c 与检测装置a 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 l 页 到移动目标p 的距离差r 3 l ，得到另外一双曲线方程： 厂_ = - = 厂： ( b x ) 2 + ( 乃一少) 7 2 一( 鼍一x ) 2d - ( m y ) 2 = 吩l ( 2 - 4 ) 联立方程2 2 ，2 3 ，2 - 4 就可以计算出移动目标的位置坐标( x ，y ) 。 ( 3 ) 接收信号强度 接收信号强度( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ，r s s ) 定位，是根据检测装置 接收到的无线信号强度来对移动目标进行位置估计。这种方式主要用于对定 位精度要求不高的场合，其定位原理较为简单，首先得到无线信号在室内的 传播衰减模型，该模型可以通过理论推导，也可以从实验数据中求出，得到 模型之后测量移动目标到检测装置之间无线信号接收强度，然后根据信号传 播衰减模型求出移动目标到检测装置之间的距离，最后根据几何三角关系计 算出移动目标的位置坐标。 这种r s s 定位的精度不高，在室内环境下，接收信号强度容易受到遮挡 物较大的影响，而且还需要针对不同的室内环境制作相应的室内信号传播模 型，一旦室内布局发生改变则需要重新建模，将花费大量的时间，因此该定 位方法的灵活性差，适合于固定场所的定位。 ( 4 ) 信号到达角 信号到达角( a n g l eo fa r r i v a l ，a o a ) 定位是根据无线射频信号接收角 度来获得移动目标位置信息的。该方法需要在检测装置上安装阵列天线，然 后由阵列天线检测移动目标发射的无线射频信号，来判断移动目标的所在方 向，最后再通过两个以上检测装置的角度信息确定移动目标的位置。从而实 现根据信号到达角度进行定位，图2 - 4 显示了a o a 定位的基本原理，移动目 标的位置可以通过目标到两个检测装置之间的方向线的交点来确定 图2 - 4基于信号到达角定位 f i g 2 - 4p o s i t i o n i n gb a s e do na o am e a s u r e m e n t 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 a o a 定位仅需要两个参考点就可以实现二维定位，三个参考点就可以实 现三维定位。但是该方法需要为每个检测装置安装昂贵的阵列天线，需要成 本很高，而且室内非视距传输会给a o a 定位带来不可预测的误差，即使在 以视距传输为主的情况下，射频信号的多径效应依然会干扰a o a 的测量。 2 3 2 基于指纹的定位 基于指纹的定位也称为基于场景定位，是最近提出来的一种新的定位方 法。该方法对定位的特定环境进行抽象化和形式化，用一些具体的、量化的 特征参数描述定位环境中的各个位置，为不同位置发出的信号特征参数建立 数据库，通过将实际接收到的信号与数据库中的信号特征参数进行对比来实 现对移动目标的定位。由于信号多径传播对环境具有很强的依赖性，表现出 很强的特殊性，所以对于每个位置而言，该位置上信道的多径结构是唯一的， 这样的多径特征可以认为是该位置的“指纹 。 基于指纹的定位首先要采集定位区域内各个参考点的信号特征参数，如 信号强度，然后将每一组特征参数对应一个具体位置，并作为一组指纹信息 存储在指纹数据库中。当检测设备接收到信号的对应特征参数时，将接收到 的特征参数与数据库中的指纹信息进行匹配，从而估计出目标的位置。图2 5 来自于k a m o lk 0 j 等人的研究和实验数据，其中l 2 和l 3 为采集到的位置指 纹样本的统计情况，每个位置指纹样本是由两台a p 测量的信号强度之组成。 图中还现实了采样样本的出现频率和分布情况。 a 1 岛口蓦 誊o - 口6 缸 嚣a n 毒 0 ，。： 0 _ 7 a 图2 5两个参考点的位置指纹样本频率分布， f i g 2 - 5 t w oc i u s t e r sw i t hf r e q u e n c yo fr s sf i n g e r p ri n t s 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 基于指纹的定位方法所需要的参考测量点少，定位精度高，只需使用处 于样本空间中心频率的样本作为位雹指纹，再利用模式识别算法就可以得出 移动目标的位置。但是该方法前期工作量大，不适合环境变化太大的区域。 2 3 3临近算法定位 临近算法即p r o x i m i t ya l g o r i t h m ，是定位算法中实现最为简单的一种算 法。该算法一般只提供移动目标的相对位置信息，系统在定位区域的许多地 方布置好天线，这些天线的位置坐标是已知的，当目标移动到某个天线附近 时，天线就会接收到目标发出的无线信号，从而可以知道目标的大概位置， 如果目标发出的信号被多个天线同时接收到，可以通过比较天线接收信号的 强度值来确定目标的位置。临近算法定位主要优点是无需对网络或者终端进 行修改，容易实现，对硬件要求不高，有很好的覆盖性与可靠性，但是也存 在很多缺点，如定位精度差并且依赖天线覆盖区域的大小，定位精度差，一 般定位精度在数百米。 2 4 r f i d 室内定位方案 随着r f i d 技术的兴起，人们逐渐将视线转移到了利用无线射频信号进 行室内定位，涌现出了许多优秀的定位方案，当前比较成熟的r f i d 定位方 案有：s p o t o n 定位系统、l a n d m a r c 定位系统，、p i n p o i n t3 d 定位系统 ”0 1 等。不少研究人员在研究这些系统的同时还对这些系统进行了改进，使其 更加高效，定位精度更高。另有一些研究人员对这些系统进行分析，比较其 定位的优缺点。下面将介绍几种典型的r f i d 室内定位系统。 2 4 1 s p o t o n 系统 s p o t o n 系统是最早使用r f i d 技术进行室内定位的系统之一。s p o t o n 系统的硬件架构如图2 6 所示，读写器( b a s e s t a t i o n ) 通过r s 2 3 2 连接到一 台中央服务器，服务器收集所有读写器上传的信息，然后进行分析和计算， 得到移动目标的位置坐标。在读写器周围布置了许多电子标签( o b j e c tt a g ) ， 形成了覆盖整个房间的无线感测环境。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 j l a s e s t a t i o n 图2 - 6 s p o t o n 系统架构图 f i g 2 6s p o t o na r o h i t e o t u r a l ii u s t r a t i o n 1 1 s p o t o n 系统根据读写器接收到的电子标签的信号强度来计算它们之间 的距离，计算公式如下： s s = 0 0 2 3 6xd z 一0 6 2 9xd + 4 7 8 1( 2 5 ) 其中s s ( s i g n a ls t r e n g t h ) 表示信号强度，单位是d b m ，d 表示读写器到电 子标签之间的距离，单位是米。系统中的电子标签构成网络状分布，该系统 基于信号强度分析，设计了一种聚合算法对携带电子标签的目标进行三维空 间定位。该系统部署时可定位距离较短、区域较小，部分数据关系与采用的 r f i d 设备耦合度较高，这使得该系统在实际应用部署与扩展中受到很大的 限制。到目前为止，完整的s p o t o n 系统还没有建成。 2 4 2l a n d m a r c 系统 l a n d m a r c 系统幢1 是基于有源r f i d 信号强度的动态定位系统，它利用 定位参考点来进行辅助定位，参考标签作为定位参考点使用，运用相对信号 强度估算距离的方式来计算目标的位置，这是目前室内定位系统中较为常见 的一种测量方式。l a n d m a r c 系统采用的硬件是r fc o d e 公司生产的s p i d e r 系统，其有源电子标签的工作范围是4 5 米，参考标签与读写器分布如2 7 图 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 口口口口 l 一 口口。口 口口口口 口口口口 图2 7l a n d m a r c 系统设备分布图 f i g 2 - 7 p i a c e m e n to fr f i do q u i p m e n t si nl a n d m a r cs y s t e m 假设系统中有1 1 个读写器、m 个参考标签和u 个定位目标，现在定义定 位目标相对于读写器的信号强度矢量为s ，参考标签相对于读写器的信号强 度矢量为r ，表示如下： s = ( s l s 2 ，s n ) ，s i 表示定位目标到读写器i 的信号强度，单位为 d b m ，f ( 1 ，刀) 。 r = ( r l ，r e ，r n ) ，r i 表示参考标签到读写器i 的信号强度，单位为 d b m ，f ( 1 ，托) 。 因此，定位目标到第j 个参考定位标签之间的欧式距离为： e ，= ，j ( 1 ，肌) ( 2 6 ) 欧式距离表示定位目标与第i 个参考标签之间的信号强度差也称作相对 强度。e i 值的大小代表了定位目标与参考标签j 之间距离的远近。e i 值越小 表示定位目标与参考标签i 距离越近。对于每一个定位目标都可以求出一组 其对于环境内所有m 个参考标签的相对强度集合e ，即e = ( e l e 2 ，e m ) 。 因此，从e 向量中选取k 个最小值，利用k 近邻法引即可估算出一个定位目 标的位置坐标。 量 ( x ，y ) = w ，( t ，y ，) ( 2 7 ) i = i 其中( x ，y ) 是定位目标的位置坐标，( x i ，y i ) 是第i 个参考标签的位置 坐标，w i 是第i 个最邻近参考标签的加权因子，在l a n d m a r c 系统中，加 权因子是基于经验得出的，其计算公式如下： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 l i t 嵋= 丹 心- 8 ) v l 白i - - - - i e f 2 “， l a n d m a r c 系统稳定、受环境影响小，其缺点在于只提供二维定位， 在实际应用中，参考标签的摆放位置、数量以及相应近邻算法的权重是设计 系统时的重要因素。 2 5本章小结 本章概述了r f i d 定位的基本原理，对室内定位技术的国内外研究情况 进行了简单介绍，详细的阐述了r f i d 室内定位算法中三种定位算法的基本 原理。最后对两种常见的r f i d 室内定位系统方案进行了研究和分析。 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 3 有源r f i d 室内定位系统方案设计 3 1系统的需求 3 1 1系统的整体需求 有源r f i d 室内定位系统是指利用无线射频识别技术，在室内环境下对 有源电子标签进行实时定位的系统。该系统需要能够实现：在指定区域内对 电子标签进行实时定位；通过计算机系统对电子标签移动路线进行实时监控； 通过数据库能够查询电子标签的历史坐标。该系统的整体应用需求包括：在 指定区域内对持有电子标签的人员或附有电子标签的物品进行实时定位；读 写器以及相应控制设备在指定区域内的安装：读写器与后台计算机系统之间 通信网络的搭建；系统应用方案的设计，包括应用所需软件，开发软