基于RFID的定位系统

1 基于基于 RFID 的定位系统的设计与实现的定位系统的设计与实现 一 课题背景及意义一 课题背景及意义 随着无线技术 移动计算器件的快速发展 人们对位置信息和定位服务有 了越来越多的需求 很多应用对定位信息要求更加细致准确 室外定位渐渐不 能满足应用的需求 室内定位技术在近年来受到研究人员的关注 RFID 又称射频识别技术 是一种非接触式的自动识别技术 RFID 标签具有 体积小 读写范围广 寿命长 抗干扰能力强等特点 可支持快速读写 移动 识别 多目标识别 唯一表示等 与 GPS 等成熟的定位技术相比 RFID 更适合 应用于室内定位 有源 RFID 标签相比无源标签有更远的识别距离和更大的存储容量 与互联 网 通讯技术相结合 可实现全球范围内物品的跟踪和信息共享 极大的扩展 了射频技术的应用领域 基于有源 RFID 的室内定位系统地研究有着重要意义 首先 RFID 技术的相关研究为定位应用做好了铺垫 目前 RFID 的研究已经 取得了很多成果 成本上 国内和国外一些工艺已经使得有源 RFID 标签的价格 降低到几十美分 甚至十几美分 标准上 很多国家已经制定了自己的 RFID 标 准 其中由北美 UCC 产品统一编码组织和欧洲 EAN 产品标准组织联合成立的 EPCGlobal 标准是市场占有量最大的一个 标准的制定在电子标签与读写器之 间的空气接口 读写器与计算机之间的数据交换协议 RFID 标签与读写器的性 能等方面做了统一规范 为减化电子标签芯片功能设计 降低电子标签成本 扩大 RFID 应用领域奠定了基础 另外 RFID 安全与隐私降 防碰撞 天线技术 队等方面也有了很多研究成果 其次有源 RFID 定位有着广泛的应用需求 在实际中依靠目标检测实现的应 用很多 比如 RFID 定位应用于制造 物流等行业 能够实现对仓库存货的位置 检测和对生产流的监控 从而极大的提高生产和管理效率 应用于煤矿等企业的 人员定位能极大地提高安全管理力度 应用于医院能实时定位设备 能更好的协 调设备和人员分配 因此基于有源 RFID 的定位系统是一个很有研究价值的领域 二 射频识别技术二 射频识别技术 2 12 1 RFIDRFID 工作原理工作原理 标签与读写器之间通过藕合元件 天线 线圈等 实现射频信号的空间 无接 触 祸合 在藕合通道内 根据时序关系 实现能量的传递 数据交换等 对于 无源 RFID 系统来说 标签通常需要贴近读卡器 读卡器通过天线发射一定频率 的射频信号 这些电磁波激活标签电路 标签的能量检测电路将一部分射频信 号转换成直流信号能量供其工作 标签获得能量被激活后 将自身的序列号等 信息调制到射频信号上后通过标签天线发送出去 读写器接收到标签返回的射 频信号后 对该信号进行解调和解码 然后送到后台计算机进行进一步处理 后台计算机会根据系统功能做出相应的处理和控制 由于读写器的能量必须来 回穿过障碍物两次 因此要求读写器有较大的发射功率 对于有源系统来讲 由标签自身内嵌的电池为芯片供电 利用自身的射频 能量主动发送数据给读写器 调制方式可以为调幅 调频或调相 标签进入读 2 写器的作用区域后 标签将自身的序列号等信息的发送给读写器 读写器的处 理方式同对无源标签基本一致 此外读写器上还可以附加通信网络模块 CAN 总线 工业以太网 RS485 等 将读出的标签信息通过通信网络模块传输给后台计算机 以实现对识别信息的 采集 处理及远程传送等数据管理功能 后台计算机也可以通过通信网络将各 个读写器连接起来 构成总控制信息平台 根据不同的需求实现不同的应用功 能 三 系统设计三 系统设计 3 13 1 定位系统架构定位系统架构 基于 RFID 的定位系统的架构如图 1 PC端 实现定 位算法及显示 未 知 节 点 串口 参考节点1 参考节点2 参考节点n 2 4GHz无线 通信 图 1 基于有源 RFID 的定位系统的架构 定位系统由后台 PC 计算机 参考节点和未知节点组成 后台计算机与参考 节点之间通过串口连接 参考节点和未知节点之间以 ZigBee 的方式通信 此架构下 未知节点得到作用范围内的参考节点的信号强度后 可以通过 串口汇报给后台计算机 后台计算机执行定位算法 并实时显示出未知节点位置 3 23 2 节点的设计节点的设计 3 2 13 2 1 CC2530CC2530 芯片介绍芯片介绍 CC2530 是 Chipcon 公司 现被 TI 收购 推出的针对 IEEE 其内部集成了 工作在 2 4 GHz 的射频收发器 拥有低功耗的 8051 MCU 内核 32 64 128 256 KB 四个不同大小可编程 Flash ROM 和 8 KB RAM 还有 A D 转换器 定时器等 另外 CC2530 片上系统由 CC2430 加上 Motorola 公司基于 IEEE 最高精度可 达 0 5 m 定位时间少于 40 s 定位区域为 64 m 64 m 定位误差为 3 5 m 与一般软件定位相比 具有定位速度快 定位准确度高 消耗 CPU 资源少的特 点 3 2 23 2 2 节点的构成成及实现节点的构成成及实现 参考节点与未知节点均采用 CC2530 ZigBee 模块作为主控模块 每个参考 节点有自己固定的 ID 号和位置坐标 并不断的向外界发送 ID 号和位置坐标 当未知节点进入某个参考节点的射频范围内时 就可以接收到该参考节点的信 3 息和 RSSI 值 当接收次数达到某个阈值时就取平均值并将该值以及参考节点的 信息通过串口发给后台 PC 端 由 PC 端进行定位算法的处理 图 2 ZigBee 定位网络控制界面 由若干参考节点和未知节点构成的 ZigBee 网络图如图 2 所示 如图 2 中周 边的 4 个圆圈代表参考节点 地址分别为 0 x143E 0 x0001 0 x3CB8 0 x287B 这 4 个节点坐标已知 中间的圆圈 地址 0 x0002 为未知节点 未知节点可以 根据接收信号强度 选取其中 3 个信号强度比较强的参考节点 采用三边测量 法估算出未知节点的坐标位置 如图 2 所示 未知节点实时显示的坐标为 6 25 m 5 75 m 图 3 位定位算法的流程图 包括后台计算端的定位计算处理 图 3 CC2530 定位引擎的定位流程 3 43 4 定位计算机端设计定位计算机端设计 3 3 13 3 1 RSSIRSSI 测距的实现原理测距的实现原理 基于 RSSI 的测距技术是利用无线电信号随距离增大而有规律地衰减的原理 来测量节点间的距离的 接收信号强度 RSSI 与传输距离 d 的关系如下所示 RSSI 10 n lgd A 1 式中 n 表示信号传播常数 也叫传播系数 d 表 示与发送者的距离 A 表示距发送者 1m 时的信号强度 测距精度的高低受到 n 与 A 实际取值大小的影响较大 A 是一个经验参数 可以通过测量距离发送者 1 4 m 处的 RSSI 值得到 n 是用来描述信号强度随距离增加而递减的参量 n 的大小 依赖具体的环境 为了得到最优的 n 值 可以先放置好所有的参考节点 然后 尝试用不同的 n index 值找到最适合这个具体环境的 n 值 3 3 23 3 2 RSSIRSSI 测距定位算法实现流程测距定位算法实现流程 图图 4 4 RSSIRSSI 测距定位算法实现流程图测距定位算法实现流程图 3 3 33 3 3 最小二乘法修正距离最小二乘法修正距离 从式 1 可以看出 如果知道参考节点与未知节点之间的 RSSI 值 则可以 估算出两个节点之间的距离 然而不同的环境下可能存在不同的信号干扰 采 用节点之间的 RSSI 值估算距离必然存在一定的误差 这时可以根据特定的环境 对测量到的距离采用传统的最小二乘法进行修正 7 得到修正后的距离 从而 可以更加精确地估算出未知节点的坐标 具体步骤如下 根据实际情况布置好节点 参考节点 Mi Ni 与未知节点 Mj Nj 的位置坐标 均已知 可以根据 xi Mi Mj 2 Ni Nj 2 得到实际节点之间的距离 根据式 1 估算出未知节点与各个参考节点之间的距离 yi 采用最小二乘法拟合实际距离 xi 与估计距离 yi 的关系 假设两者之间的关 系为 yi axi b 为了使所有数据偏差的平方和很小 假设 R2 mi 1 yi axi b 2 可以把 R2 看作自变量 a 和 b 的二元函数 要使得 R2 最小 分别对自变量求 导 令其等于零 根据得到的 a 与 b 的值可以拟合出修正距离与估计距离的关系 Y 修 a X 估 b 结合式 1 可以得到 5 布置未知节点 通过式 1 估计未知节点与参考节点之间的距离 x 通过 第 3 步拟合好的修正距离与估计距离之间的关系修正估计距离 得到修正的距 离 Y 修 3 3 43 3 4 未知节点坐标估计未知节点坐标估计 选择 3 个接收信号强度最强的参考节点 采用三边测量法估计出未知节点 坐标值 8