基于RFID的大型室內(nèi)場所的定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 概述

　　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，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如機(jī)場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中，常常需要確定移動(dòng)終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。但是受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)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。

　　2 RFID工作原理

　　RFID （Radio Frequency Identification）系統(tǒng)稱為射頻識別系統(tǒng)，其能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)交換是應(yīng)用無線電和雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。RFID系統(tǒng)一般是由兩部份組成一閱讀器、應(yīng)答器。

　　a．應(yīng)答器：應(yīng)答器放在需要識別的物體上，可以發(fā)送和接收信息，可根據(jù)收到的操作命令作讀／寫等處理；

　　b．閱讀器：閱讀器是采集應(yīng)答器信息并對應(yīng)答器發(fā)出操作命令的裝置，發(fā)出的命令包含選擇，讀／寫，取消選擇命令等。

　　一臺典型的閱讀器包含有高頻模塊（發(fā)送單元和接收單元）、控制單元以及與應(yīng)答器連接的禍合元件。此外，閱讀器還應(yīng)該有附加接口（RS232＼RS485＼USB等），以便將獲得數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳給另外的系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)、機(jī)器人控制裝置等）。

　　應(yīng)答器是RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息載體，由耦合元件以及微電子芯片組組成。它具有智能讀寫及加密通信的能力。一般是無源的，即內(nèi)部不含電源，工作時(shí)，接收閱讀器發(fā)出的射頻電磁波，經(jīng)內(nèi)部整流、電容穩(wěn)壓后作為電源。此外還有有源應(yīng)答器，一般是由電池供電，可以在較高頻段工作，識別距離較長，和閱讀器之間的通信速率也較高。

　　系統(tǒng)的基本丁作流程是：閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，應(yīng)答器獲得能量被激活；應(yīng)答器將自身編碼等信息通過其內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從應(yīng)答器發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該應(yīng)答器的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

　　3 系統(tǒng)組成

　　3.1 總體描述

　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是在入口處給人員一RFID電子標(biāo)簽，也叫電子卡，里面標(biāo)有標(biāo)簽的編號以及個(gè)人信息，在各個(gè)主要的據(jù)點(diǎn)安裝閱讀器。當(dāng)人員接近閱讀器時(shí)，會自動(dòng)讀取出標(biāo)簽。

　　圖1 讀卡的基本的流程

　　信息以有停留時(shí)間、行走路線等其它相關(guān)數(shù)據(jù)。閱讀器將數(shù)據(jù)傳人后臺服務(wù)器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、數(shù)據(jù)校驗(yàn)以及數(shù)據(jù)暫存等，數(shù)據(jù)經(jīng)RFID中間件進(jìn)行加工、處理后，傳送到應(yīng)用程序接口。基本的流程見圖1。

　　基本機(jī)理：每個(gè)電子卡內(nèi)都有一個(gè)32位的號碼，當(dāng)電子卡呈現(xiàn)在閱讀器讀出范圍內(nèi)時(shí)，電子卡被閱讀器不斷發(fā)射的電磁問詢信號激活，從而反饋給閱讀器一個(gè)攜帶有電子卡號碼的應(yīng)答信號，正是通過電子卡與閱讀器互相之間的信號問詢與應(yīng)答，閱讀器就能夠準(zhǔn)確快速地識別電子卡內(nèi)攜帶的號碼，并將讀到的電子卡號碼按照一定的輸出格式輸出給計(jì)算機(jī)、外部控制器或其他終端設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對電子卡的識別。當(dāng)佩帶電子卡的人員來到終端人口處時(shí)，附近的閱讀器將讀到的電子卡號碼通過RS232傳遞給報(bào)到終端機(jī)，報(bào)到終端機(jī)再通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)（讀到的電子卡號碼）傳遞給遠(yuǎn)地的計(jì)算機(jī)服務(wù)器。這樣與服務(wù)器相連的報(bào)到終端機(jī)和查詢終端機(jī)就能夠?qū)崟r(shí)更新數(shù)據(jù)。

　　3.2系統(tǒng)組成

　　本系統(tǒng)主要由人員定位、數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。

　　人員定位：主要是基于RFID無線網(wǎng)絡(luò)平臺，其中包括定位網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（應(yīng)答器）、無線ID模塊、標(biāo)準(zhǔn)電纜等，RFID無線網(wǎng)絡(luò)跟蹤定位系統(tǒng)采用RFID無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)答器設(shè)置成一個(gè)電子卡，而閱讀器則是安裝在室內(nèi)固定的位置上，安裝在超市的天花板或者走廊墻壁上，通常其位置是已知的，利用這些已知位置的閱讀器來定位處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)答器。所安置的網(wǎng)絡(luò)模塊將自動(dòng)組成一個(gè)RFID通信網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際就是一個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)定位點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可通過自動(dòng)讀取移動(dòng)目標(biāo)的信息和信號強(qiáng)度，來確定移動(dòng)目標(biāo)的位置信息，網(wǎng)絡(luò)定位點(diǎn)在已有的通信電纜的地方直接通過RS232接口與現(xiàn)有的通信電纜相連接，再通過交換機(jī)將信息上傳到終端管理計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)人員的定位系統(tǒng)的全部功能。

　　圖2 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖

　　數(shù)據(jù)傳輸：包括分線拉接頭、電纜接頭，網(wǎng)絡(luò)連接等，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可通過自動(dòng)讀取移動(dòng)目標(biāo)的信息和信號強(qiáng)度，在RFID通信中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在有通信電纜的地方直接接人已有的通信電纜，通過等再將信息傳到終端管理計(jì)算機(jī)，人員跟蹤定位系統(tǒng)軟件處理，實(shí)現(xiàn)人員跟蹤定位系統(tǒng)的全部功能。

　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)包括主機(jī)、電源系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換接口、軟件保護(hù)器、打印機(jī)等；軟件系統(tǒng)包括：信號采集與處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、分析統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫，人機(jī)界面等。

　　3.3 系統(tǒng)功能模塊描述

　　系統(tǒng)的中央管理控制軟件是定位系統(tǒng)的中心，以控制閱讀器和RFID卡的工作狀態(tài)，以及進(jìn)行定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理等。主要特點(diǎn)是：界面簡單美觀，易于操作控制；通過串口通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對閱讀器的控制與數(shù)據(jù)傳送；定位信息的錄入簡單，方便，維護(hù)性和保密性好；快速查詢實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)等。

　　系統(tǒng)軟件主要用VC++做開發(fā)工具；SQL Server數(shù)據(jù)庫用于各個(gè)閱讀器及定位信息的存儲和查詢；串口通信控件實(shí)現(xiàn)主機(jī)控制閱讀器的工作模式，并與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。閱讀器控制模塊主要通過串口通信控件來實(shí)現(xiàn)主機(jī)對閱讀器的控制以及數(shù)據(jù)交換的功能；數(shù)據(jù)庫管理模塊是應(yīng)用SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定位信息的存儲、修改、查詢、維護(hù)等，完成標(biāo)簽參數(shù)采集的實(shí)時(shí)地理坐標(biāo)、閱讀器、傳感器等的數(shù)據(jù)采集，采用數(shù)據(jù)庫的完整性約束等技術(shù)，結(jié)合室內(nèi)地理信息實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位系統(tǒng)所需的人員實(shí)時(shí)分布信息，綜合各方面的參數(shù)進(jìn)行提取、分析、處理等。保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，而且便于錄人查詢工作；跟蹤查詢極模塊是結(jié)合WEB技術(shù)。把閱讀器和獲取的RFID卡信息迅速通過數(shù)據(jù)庫查詢配對，得到相應(yīng)的定位人員信息資料，并將其顯示在屏幕上，便于查詢?nèi)藛T了解到整個(gè)場所的現(xiàn)場情況。

　　結(jié)束語

　　以上提出了一種低成本的室內(nèi)射頻識別（RFID）定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于移動(dòng)臺自定位方案。在我們的系統(tǒng)中可以采用閱讀器安裝在室內(nèi)固定的位置上，安裝在室內(nèi)的天花板或者走廊墻壁上，通常其位置是已知的，利用這些已知位置的閱讀器來定位處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子標(biāo)簽。閱讀器通過檢測其周的電子標(biāo)簽對自己的位置進(jìn)行定位并將位置傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。