基于RFID的定位系统

1、基于 RFID 的定位系统的设计与实现一、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

2、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EPCGIobal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

3、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2.1 RFID 工作原理标签与读写器之间通过藕合元件 （ 天线，线圈

4、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

5、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 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3.1定位系统架构基于RFID的定位系统的架构如图1：图1基于有

6、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。 3.2节点的设计3.2.1 CC2530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 MCI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

7、/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卩s，定位区域为64 mX 64 m,定位误差为35 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。3.2.2节点的构成成及实现参考节点与未知节点均采用CC2530ZigBee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

8、信息 通过串口发给后台PC端，由PC端进行定位算法的处理。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 0x143E、0x0001、0x3CB8 0x287B。 这4个节点坐标已知，中间的圆圈（地址 0x0002）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便能定也引鑒| N开始定位计毎输出定位坐标图3 CC2530定位引擎的定位流

9、程3.4定位计算机端设计3.3.1 RSSI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=- （10X nx |gd+A）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 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nndex值找

10、到最适合这个具体环境的n值332 RSSI测距定位算法实现流程图4 RSSI测距定位算法实现流程图3.3.3最小二乘法修正距离从式 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

11、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=E 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。a n>ntm<ax, + b yj" = 2©丫 x: + b V 扎 Y 岳阳）=0（2）- （ax. + b yj =2（就工兀 + 口山一工# ） = 0于是变量a和b可以通过式（2片号（寻求出t2 x）（y, y）n =-b = y ax工g 汀其中 = X-y = X->7； m J m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丫修=axX估+b，结合式可以得到： 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，得到修正的距离丫修。334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。假设3个参考节点 A B C的坐标分别为(ma,na)、(mb,nb)、(me,nc)， 未知节