基于Wi-Fi的RFID定位方案探討[圖]

摘要：隨著移動(dòng)通信需求的日益增長(zhǎng)，允許訪問(wèn)特定位置信息在普適計(jì)算及應(yīng)用方面表現(xiàn)出廣泛的重要性。在室外環(huán)境下，基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的全球定位系統(tǒng)（GPS）或者北斗星定位系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足一定的室外定位需求。然而，這些技術(shù)并不能很好的運(yùn)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，必須采用一些替代技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，基于IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)（Wi-Fi）的技術(shù)提供了一個(gè)高性?xún)r(jià)比的解決方案。實(shí)際應(yīng)用中也已經(jīng)提出了許多算法方案，包括測(cè)量接收信噪比（SNR），以及使用更廣泛的接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）。室內(nèi)定位問(wèn)題必須要考慮室內(nèi)環(huán)境所表現(xiàn)出的傳輸信道特性，由于墻壁和障礙物的影響，會(huì)帶來(lái)多徑衰弱、吸收以及遮蔽等一系列問(wèn)題。因此，基于幾何角的測(cè)量技術(shù)，比如到達(dá)角（AOA）、到達(dá)相位（POA）、到達(dá)時(shí)間（TOA）或者到達(dá)時(shí)間差（TDOA）不能很好的應(yīng)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中。近幾年，隨著射頻識(shí)別技術(shù)（Radio FrequentlyIdentification,RFID）的不段完善和推廣，并且憑借其重量輕、功耗低和識(shí)別能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，逐步運(yùn)用在各種場(chǎng)合中，如身份標(biāo)識(shí)、工程控制和定位追蹤等領(lǐng)域。本文的研究重點(diǎn)是將研究Wi-Fi無(wú)線傳輸技術(shù)與RFID識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)RFID標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)Wi-Fi系統(tǒng)定位的解決方案。據(jù)初步檢索，國(guó)內(nèi)對(duì)基于Wi-Fi的RFID定位技術(shù)研究工作尚不多見(jiàn)，本文的工作是將對(duì)基于Wi-Fi的RFID定位系統(tǒng)的定位方案進(jìn)行探討。

1 定位系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是20世紀(jì)90年代起新興的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它主要通過(guò)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的唯一ID號(hào)識(shí)別標(biāo)志物。與傳感器技術(shù)類(lèi)似，RFID技術(shù)被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)（The Internetof Things）一項(xiàng)支撐技術(shù)。某些人認(rèn)為，前者只是識(shí)別，沒(méi)有處理的能力，而后者可以對(duì)感知到的物品進(jìn)行處理。和傳統(tǒng)的磁卡、IC卡相比，射頻卡最大的優(yōu)點(diǎn)就在于非接觸，因此，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。

RFID是一種簡(jiǎn)單的無(wú)線系統(tǒng)，只有兩個(gè)基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測(cè)和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個(gè)閱讀器和多個(gè)標(biāo)簽組成。

RFID技術(shù)利用無(wú)線射頻方式在閱讀器和標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸雙向傳輸數(shù)據(jù)， 已達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：電子標(biāo)簽（Tag）、讀寫(xiě)器（Reader）和在標(biāo)簽與讀卡器間傳遞射頻信號(hào)的微型天線（Antenna）。

我們下面將要研究的定位測(cè)試平臺(tái)主要由多個(gè)支持RFID讀寫(xiě)器功能的Wi-Fi接入點(diǎn)和內(nèi)置有RFID標(biāo)簽的Wi-Fi終端組成，圖1所示為定位系統(tǒng)的硬件框圖設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 定位方案

基于Wi-Fi的RFID定位方案我們將考慮采用以下兩種解決方案：（1）基于信號(hào)強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間差復(fù)合定位方案；（2）基于位置距離和角度的定位方案。

2 . 1 基于信號(hào)強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間差復(fù)合定位方案

對(duì)室內(nèi)Wi-Fi終端進(jìn)行定位前，首先根據(jù)室內(nèi)實(shí)際情況規(guī)劃出室內(nèi)的終端分布圖，存入信息處理數(shù)據(jù)庫(kù)；然后根據(jù)室內(nèi)分布情況設(shè)置AP接入點(diǎn)，同時(shí)我們需要設(shè)置一個(gè)位置固定的參考標(biāo)簽， 作為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)幫助進(jìn)行位置校準(zhǔn)， 設(shè)置的接入點(diǎn)數(shù)量根據(jù)具體的室內(nèi)情況而定。

當(dāng)Wi-Fi終端進(jìn)入室內(nèi)后，AP接入點(diǎn)內(nèi)的RFID讀寫(xiě)器被喚醒，再由讀寫(xiě)器發(fā)出一個(gè)無(wú)線喚醒信號(hào)，喚醒Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標(biāo)簽。標(biāo)簽接收到喚醒信號(hào)后，從休眠模式中喚醒，然后比較自身ID號(hào)與接收信號(hào)中的ID號(hào)是否一致，ID號(hào)不相符的標(biāo)簽再次進(jìn)入休眠模式，而ID相符的標(biāo)簽則進(jìn)入接收模式，接收信號(hào)并定位解算出其位置數(shù)據(jù)，并將位置數(shù)據(jù)送到處理器進(jìn)行處理。文獻(xiàn)[4]中已經(jīng)研究了基于RFID的停車(chē)場(chǎng)無(wú)線定位方案，而我們提出了一種基于Wi-Fi的RFID定位方案，通過(guò)多個(gè)Wi-Fi AP接入點(diǎn)內(nèi)的讀寫(xiě)器分別讀取待定位Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標(biāo)簽，將獲得的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行融合， 最終得到RFID標(biāo)簽的位置信息。如圖2給出了基于該定位算法的結(jié)構(gòu)化框圖。

圖2 基于信號(hào)強(qiáng)度的定位算法框圖

基于信號(hào)強(qiáng)度的定位算法是用一個(gè)位置已知的參考標(biāo)簽與待定位Wi-Fi終端的標(biāo)簽接收同一個(gè)AP接入點(diǎn)的定位信號(hào)。參考標(biāo)簽所測(cè)得的位置與該點(diǎn)已知值進(jìn)行比較后，獲得讀寫(xiě)器的定位數(shù)據(jù)的校正值，然后及時(shí)將此校正值發(fā)送給待定位的標(biāo)簽，修正標(biāo)簽所測(cè)得的實(shí)時(shí)位置信息S,并將此信息上傳給讀寫(xiě)器。在此過(guò)程中始終保持只有一個(gè)讀寫(xiě)器工作，其余的讀寫(xiě)器處于休眠狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)讀寫(xiě)器完成位置信息采集后，再由其他讀寫(xiě)器完成同樣的過(guò)程，這種定位方式下至少需要進(jìn)行3次位置信息的采集。假設(shè)信號(hào)強(qiáng)度公式與讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的距離有關(guān)，則簡(jiǎn)單信號(hào)傳播模型可用式（1）表示：

P(r )= (P )-10alog(r/0r)(1)

式中， P（r）為標(biāo)簽接收到的信號(hào)功率； r為標(biāo)簽與讀寫(xiě)器的距離； r0 為相對(duì)于讀卡器的參考距離； P（r）0 為該參考點(diǎn)的信號(hào)功率， 參數(shù)a 為路徑損耗隨著距離r 的增加而增加的速率。需要指出的是，通過(guò)該模型計(jì)算出的某個(gè)位置信號(hào)強(qiáng)度往往被估計(jì)得過(guò)高，實(shí)用性不大，比較實(shí)用的信號(hào)強(qiáng)度模型在文獻(xiàn)[6~7]中有比較詳細(xì)的介紹。

采用到達(dá)時(shí)間差（TDOA）算法是通過(guò)測(cè)量不同讀卡器接收到同一標(biāo)簽的定位信號(hào)的時(shí)間差，并由此計(jì)算出標(biāo)簽到不同讀寫(xiě)器的距離差。標(biāo)簽到任何兩個(gè)讀寫(xiě)器的距離差D為定值，標(biāo)簽必定位于兩個(gè)讀寫(xiě)器為焦點(diǎn)的雙曲線上，當(dāng)同時(shí)有N個(gè)讀寫(xiě)器參與測(cè)距時(shí)（N≥3），由多個(gè)雙曲線之間的交匯區(qū)域就是對(duì)標(biāo)簽位置的估計(jì)。TDOA只是測(cè)量各讀寫(xiě)器接收到的同一標(biāo)簽定位信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差，參加定位的各個(gè)讀寫(xiě)器在時(shí)間上不要求嚴(yán)格同步。假定測(cè)量第i 個(gè)讀寫(xiě)器和第j個(gè)讀寫(xiě)器的到達(dá)時(shí)間分別為 TAi 和TAj ,那么信號(hào)到達(dá)第i 個(gè)和第j 個(gè)讀寫(xiě)器的時(shí)間差就是 TAji = TAi -TAj , 它們的距離差Rji = C*TAji .則標(biāo)簽坐標(biāo)與讀寫(xiě)器坐標(biāo)存在如下關(guān)系：

解上述方程組， 利用基于信號(hào)強(qiáng)度定位算法算出的坐標(biāo)值及一些先驗(yàn)知識(shí)（如室內(nèi)半徑）從其兩個(gè)解中分辨出Wi-Fi終端的具體位置。

2 . 2 基于位置距離和角度的定位方案

文獻(xiàn)[5]中，P.Munishwar等人提出了一種基于RFID的機(jī)器人定位方案，我們?cè)诖斯ぷ骰�礎(chǔ)上提出了一種可以運(yùn)用在Wi-Fi系統(tǒng)中的終端定位方案。該方案與基于信號(hào)強(qiáng)度的定位方案的不同在于引入了方向角的計(jì)算，通過(guò)距離和角度信息來(lái)實(shí)現(xiàn)Wi-Fi終端的定位。在Wi-Fi系統(tǒng)中需要設(shè)置了一個(gè)或多個(gè)傳感器，用來(lái)跟蹤待定位終端的運(yùn)動(dòng)，這些傳感器可以通過(guò)串行接口進(jìn)行查詢(xún)，并返回自上次查詢(xún)之后終端的運(yùn)動(dòng)距離和角度信息。

內(nèi)置在Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標(biāo)簽允許待定位終端確定它的絕對(duì)位置（x,y），而位置的不確定性等于RFID讀寫(xiě)器的最大標(biāo)簽感知半徑。

系統(tǒng)定期運(yùn)行算法一次（比如50ms），來(lái)獲取和處理傳感器和RFID讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)。

通過(guò)RFID技術(shù)定期的重新校準(zhǔn)終端位置和角度數(shù)據(jù)，每次定位算法運(yùn)行時(shí)，它讀取傳感器兩次查詢(xún)之后的距離和角度差值變化， 并把變化值分別累加到已知的位置和角度上，并且復(fù)位傳感器。傳感器可以從標(biāo)簽兩次測(cè)量的坐標(biāo)（x1,y1）、（x2,y2）來(lái)判斷它的運(yùn)動(dòng)方向， 即：

如果終端在一條直線上運(yùn)動(dòng)， 那么△θRFID等于0,最后根據(jù)終端的位置和角度信息， 我們就可以對(duì)終端進(jìn)行定位。圖3 給出了該定位算法的結(jié)構(gòu)化圖示。

圖3 基于終端位置和角度的定位算法框圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要探討了基于Wi-Fi的RFID定位系統(tǒng)的定位解決方案， 主要對(duì)基于信號(hào)強(qiáng)度的定位方案以及基于距離和方向角的定位方案，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明：這兩種定位算法都可以達(dá)到精度為1 米左右的定位誤差，可以滿足室內(nèi)定位的精度需求，并且鑒于RFID設(shè)備在軟硬件成本上的優(yōu)勢(shì)，RFID定位解決方案具有廣泛的實(shí)用潛力。

作者：張璐陽(yáng) 陳華偉 周俊奇 侯杰 來(lái)源：《科技資訊》

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