有源RFID定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

      摘要：隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增大。但是受定位時間、定位精度以及復(fù)雜環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術(shù)目前還無法很好地利用，針對這些問題，在分析了現(xiàn)有幾種典型的定位技術(shù)的特點和不足后，設(shè)計并實現(xiàn)了一套有源REID定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)以REID技術(shù)為核心，利用讀寫器對標(biāo)簽進(jìn)行定位。分析表明，該系統(tǒng)具有定位精度高，抗干扎能力強(qiáng)，定位范圍大等特點，適用于多標(biāo)簽情況。

　　定位系統(tǒng)是指在有限的區(qū)域內(nèi)，如企業(yè)內(nèi)部、校園、港口、倉庫等，對財產(chǎn)和人員進(jìn)行定位和跟蹤。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增大，已成為一個新興產(chǎn)業(yè)并成為21世紀(jì)最熱門的研究領(lǐng)域之一。目前，常用的定位技術(shù)包括紅外線、超聲波、GPS、Wi－Pi等，但這些技術(shù)存在定位范圍小、抗干擾能力差、定位精度低等缺陷。本文針對這些不足，設(shè)計并實現(xiàn)了有源REID定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)很好駟彌補(bǔ)了這些缺陷，適用于更多的場合。

　　1、定位技術(shù)分析

　　紅外線定位技術(shù)只適合于短距離傳播，且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，所以該定位技術(shù)在定位范圍和定位精確上有很大的局限性。

　　超聲波傳播定位技術(shù)雖然距離較遠(yuǎn)，但是受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響大，因此該定位技術(shù)對環(huán)境要求苛刻，且不適用于室內(nèi)環(huán)境定位。

　　GPS定位技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的室外定位技術(shù)，它是⒛世紀(jì)70年代初美國用于軍事目的開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，主要利用幾顆衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)計算移動用戶位置，覆蓋范圍大，但是定位信號到達(dá)地面時較弱，不能穿透建筑物，因此該定位技術(shù)只適用于室外不適合室內(nèi)定位。

　　Wi－Pi定位技術(shù)應(yīng)用于小范圍的室內(nèi)或室外定位，成本較低。但無論是用于室內(nèi)還是室外定位，Wi － Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑在90 m以內(nèi)的區(qū)域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。

　　在分析了現(xiàn)有技術(shù)不足之后，在此基礎(chǔ)上提出了以RFID技術(shù)為核心的定位技術(shù)。REID技術(shù)同現(xiàn)有定位技術(shù)相比，不但具有成本上的優(yōu)勢，而且REID定位技術(shù)對環(huán)境的要求和受到環(huán)境的影響都很小，且定位精度較高，傳輸范圍大，同時還能從定位目標(biāo)中讀取有關(guān)該對象的大量信息。

　　2、系統(tǒng)構(gòu)成

　　本文設(shè)計的有源REID定位系統(tǒng)由閱讀器、標(biāo)簽、通信網(wǎng)絡(luò)和后臺服務(wù)器四個部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)構(gòu)成

　　各個閱讀器內(nèi)部存儲了自身的位置信息，并能通過無線射頻的方式發(fā)送給進(jìn)人該區(qū)域的標(biāo)簽。標(biāo)簽與閱讀器之間通過射頻通信可以測量出無線電傳輸?shù)膫尉啵?jù)此計算出自身位置信息，然后上報至閱讀器。通信網(wǎng)絡(luò)則可以將閱讀器收到的信息傳輸至后臺服務(wù)器，同時后臺服務(wù)器還可以通過該網(wǎng)絡(luò)控制各個閱讀器。

　　系統(tǒng)安裝完成后，標(biāo)簽?zāi)軌蛲ㄟ^無線射頻方式完成自身位置的確定，并且通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳到后臺服務(wù)器上。后臺服務(wù)器收集標(biāo)簽信息，并提供標(biāo)簽位置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

　　3、硬件結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)的標(biāo)簽和閱讀器具有相同的硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計分為以下部分：主控制器、無線射頻收發(fā)及測距模塊、天線、供電系統(tǒng)。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)原理圖

　　為適應(yīng)高速數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信的需要，系統(tǒng)以Atmel公司的Atmega64為主控芯片。ATmega64單片機(jī)采用Harbard結(jié)構(gòu)，具有單周期的RISC指令系統(tǒng)，內(nèi)部具有硬件乘法電路，數(shù)據(jù)處理速度快；I／0端口可直接驅(qū)動較大電流負(fù)載；具有讀寫及地址鎖存允許控制引腳，便于擴(kuò)展和使用外部接口和外部存儲空間；支持在線編程（ISP）及在線應(yīng)用編程（IAP），方便現(xiàn)場修改和調(diào)試程序；具有支持主／從機(jī)模式的SPI串行通信接口，可以方便連接主／從機(jī)模式的串行通信單元。為了滿足通信和數(shù)據(jù)高速處理的需要，本系統(tǒng)采用16 MHz晶振。

　　無線射頻收發(fā)及測距模塊采用Nanotron公司的NanoPAN模塊。該模塊采用寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS）技術(shù)，并為IEEE 802．15．4a標(biāo)準(zhǔn)所采用。收發(fā)器為一款2．4 GHzISM頻段無線裝置，可靈活地提供31 25 Kb／s～2 Mb／s范圍的數(shù)據(jù)傳輸率，其點對點測距精度在1～2 m之內(nèi)，可同時提供具有極佳傳輸范圍的可靠數(shù)據(jù)通信。通過采用一個MAC控制器，可降低對微處理器和軟件的要求，輕松地完成高級別系統(tǒng)的設(shè)計。

　　天線部分采用直接匹配天線的設(shè)計。由于空間限制，無線收發(fā)模塊與天線之間通過導(dǎo)線直接連接，設(shè)計中采用鐵氧體屏蔽和電磁屏蔽。鐵氧體屏蔽用于減少金屬對天線的影響，電磁屏蔽用于減少由天線線圈本身產(chǎn)生的磁場。為了在PCB板上做一個屏蔽的天線，至少要做到4層板，最上層和最下層要有非封閉的屏蔽環(huán)路。這樣的環(huán)路提供了電磁屏蔽，改善了電磁兼容性。

　　由于讀寫器和標(biāo)簽要向空間發(fā)射無線信號，需要消耗較多的電能，所以該系統(tǒng)采用自帶電源，并根據(jù)實際功耗選擇適當(dāng)容量的電池系統(tǒng)，使整體系統(tǒng)的使用不受影響。

　　4、軟件結(jié)構(gòu)

　　標(biāo)簽與讀寫器具有相同的軟件結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該系統(tǒng)采用Atmel公司的AVR Studio作為開發(fā)平臺，平臺采用C語言編程。在軟件系統(tǒng)中，標(biāo)簽首先發(fā)送要求接人廣播包的請求，等待讀寫器的響應(yīng)，當(dāng)收到3個以上（包含3個）讀寫器響應(yīng)后，標(biāo)簽開始對收到的讀寫器進(jìn)行測距，完成測距后根據(jù)讀寫器位置信息計算出自己的位置坐標(biāo)并通過廣播上傳至讀寫器，開始新一輪測距。其程序流程圖如圖4所示。

圖3 標(biāo)簽、讀寫器軟件結(jié)構(gòu)

圖4程序流程

　　5、測試結(jié)果

　　在系統(tǒng)測試中，將該定位系統(tǒng)應(yīng)用于學(xué)校實驗樓中的人員定位，通過3個固定的讀寫器對標(biāo)簽進(jìn)行實時定位并在PC上進(jìn)行實時動態(tài)顯示。如圖5所示，其中實心點為讀寫器所在位置，空心點為標(biāo)簽。最后通過多次實際測試得到圖6的統(tǒng)計曲線圖，該系統(tǒng)在距離大于4 m的范圍內(nèi)具有較高的定位精度。

圖5 人員定位

圖6統(tǒng)計曲線

　　本文介紹了有源REID定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。提供了硬件平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，闡述了系統(tǒng)的定位方法以及軟件工作流程。根據(jù)本方案實現(xiàn)的有源RFID定位系統(tǒng)具有定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)，定位范圍大等優(yōu)點。