一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種基于PIC16F877A微控制器和CC2500射頻收發(fā)器芯片的低功耗、低成本RFID(Radio Frequency Identification，無(wú)線射頻識(shí)別)局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，介紹了系統(tǒng)的定位工作原理、主要硬件電路模塊及定位算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。采用基于序列號(hào)對(duì)時(shí)隙數(shù)運(yùn)算的排序算法有效解決了多標(biāo)簽識(shí)別碰撞的問(wèn)題，基于射頻輻射強(qiáng)度(Receivecl Signal Strength Inclication，RSSI)和圓周定位算法實(shí)現(xiàn)了基于RFID多標(biāo)簽系統(tǒng)的平面定位。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，這種射頻定位方法能夠?qū)崿F(xiàn)一定精度下的無(wú)線局域定位的功能。
關(guān)鍵詞：RFID；定位技術(shù)；RSSI；讀寫器；多標(biāo)簽

    隨著社會(huì)的發(fā)展，定位技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注?，F(xiàn)有的定位技術(shù)如GPS定位，紅外定位等，考慮到精度，成本，可行性等方面，都有一定的局限性，尤其是在一些屏蔽物遮擋的局域定位的場(chǎng)合。射頻識(shí)別(RFID)定位技術(shù)以其非接觸、高靈敏度和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在這種場(chǎng)合下成為一種重要技術(shù)選擇，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。
    在多標(biāo)簽定位系統(tǒng)中必然會(huì)出現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)與讀寫器通信產(chǎn)生信號(hào)碰撞的情況。目前RFID多標(biāo)簽防碰撞算法有多種：多址技術(shù)、ALOHA防碰撞算法、二進(jìn)制防碰撞算法等。多址防碰撞算法是以增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和提高成本為代價(jià)，且有無(wú)法克服的缺陷；ALOHA防碰撞算法有時(shí)會(huì)導(dǎo)致讀寫器出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，對(duì)某個(gè)標(biāo)簽是否在讀寫范圍內(nèi)產(chǎn)生誤判，同時(shí)還存在沖突概率較大的問(wèn)題；簡(jiǎn)單的二進(jìn)制防碰撞算法有時(shí)并不能夠取得很好的避碰效果。文中采用基于序列號(hào)對(duì)時(shí)隙數(shù)運(yùn)算的排序算法，該算法可以克服上述誤判的問(wèn)題，并且易于實(shí)現(xiàn)、效率高、軟件編寫簡(jiǎn)單，可以不受標(biāo)簽數(shù)量的限制，是一種穩(wěn)定可靠、實(shí)用性強(qiáng)的防碰撞算法。RFID定位算法有：LANDMARC、基于信號(hào)達(dá)到角度的定位法(AOA)等，這里采用圓周定位算法，該方法簡(jiǎn)單可靠，易于在線實(shí)施，且具有一定定位精度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要由讀寫器和有源標(biāo)簽組成。讀寫器與標(biāo)簽之間的射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，讀寫器通過(guò)與標(biāo)簽的無(wú)線通信，獲得接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)值，這是對(duì)待定位標(biāo)簽進(jìn)行位置計(jì)算的重要參數(shù)。微控制器PIC16F877A控制CC2500射頻收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。讀寫器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可通過(guò)RS232接口與上位機(jī)相連。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    讀寫器與標(biāo)簽的控制模塊均采用Microchip公司的8位高性能、低功耗微控制器PIC16F877A作為主控芯片，它在架構(gòu)上采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，便于實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化，單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度。此外，片上數(shù)據(jù)存貯空間比較大，充足的存儲(chǔ)空間，可以方便通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部看門狗定時(shí)器，提高了程序執(zhí)行的穩(wěn)定性；低功耗休眠模式，大大降低了系統(tǒng)的功耗。它具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、外接電路簡(jiǎn)潔、功耗低等特點(diǎn)。因此適合于作為RFID讀寫器的控制器來(lái)使用。
    射頻收發(fā)器選用CC2500作為控制芯片，CC2500集成了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)500 kbps的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，大大加強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽瑫r(shí)通過(guò)開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，使性能得到大幅度提升。MCU通過(guò)SPI接口向CC2500發(fā)送操作命令，配置其調(diào)制方式、工作頻率等參數(shù)，通過(guò)指令將其配置為接收狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)、空閑狀態(tài)或休眠狀態(tài)。CC2500的引腳SO和SI分別為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮敵龊洼斎胄盘?hào)線，CSN為片選信號(hào)引腳，SCLK為時(shí)鐘信號(hào)引腳。當(dāng)其接收到一個(gè)數(shù)據(jù)或發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)，都會(huì)通過(guò)引腳GD00和GD02輸出相應(yīng)的狀態(tài)脈沖，MCU據(jù)此來(lái)判斷CC2500的狀態(tài)，從而決定對(duì)CC2500的下一步操控。微控制器PIC16F877A和CC2500收發(fā)器模塊的連接如圖2所示。

2 多標(biāo)簽識(shí)別防碰撞算法設(shè)計(jì)
    定位系統(tǒng)涉及多個(gè)標(biāo)簽與讀寫器之間的實(shí)時(shí)通信，需要解決多標(biāo)簽識(shí)別信號(hào)碰撞問(wèn)題?；谛蛄刑?hào)對(duì)時(shí)隙數(shù)運(yùn)算的排序算法具有算法易于實(shí)現(xiàn)、響應(yīng)速度快、執(zhí)行效率高等特點(diǎn)，是時(shí)分復(fù)用方法的一種。利用微控制器PIC16F877A通過(guò)SPI接口來(lái)控制CC2500數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)隙，將標(biāo)簽作為應(yīng)答器，基于序列號(hào)對(duì)時(shí)隙數(shù)運(yùn)算的排序算法的實(shí)現(xiàn)流程如下：
    在爭(zhēng)用周期內(nèi)，首先利用標(biāo)簽序列號(hào)除以爭(zhēng)用周期時(shí)隙數(shù)所得的余數(shù)來(lái)確定標(biāo)簽在爭(zhēng)用數(shù)據(jù)幀內(nèi)的發(fā)送時(shí)隙；然后利用標(biāo)簽序列號(hào)除以爭(zhēng)用周期時(shí)隙數(shù)所得的商確定標(biāo)簽在爭(zhēng)用幀內(nèi)相應(yīng)時(shí)隙的發(fā)送位，然后在爭(zhēng)用周期內(nèi)發(fā)送的爭(zhēng)用數(shù)據(jù)幀的相應(yīng)時(shí)隙發(fā)送位填充數(shù)據(jù)“1”；最后利用填充過(guò)的爭(zhēng)用數(shù)據(jù)幀確定標(biāo)簽在整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送周期內(nèi)的發(fā)送順序(即標(biāo)簽的發(fā)送順序=其發(fā)送位及其前面各發(fā)送位中“1”的總數(shù))，從而給不同序列號(hào)的標(biāo)簽分配不同的發(fā)送時(shí)序。本設(shè)計(jì)用了9個(gè)待定位標(biāo)簽，利用上述算法進(jìn)行標(biāo)簽識(shí)別排序，具體流程如圖3所示(這里的應(yīng)答器指標(biāo)簽應(yīng)答器)。

    圖3倒數(shù)第二行為9個(gè)標(biāo)簽的發(fā)送時(shí)序，發(fā)送的時(shí)序是A0，A4，A8，A1，A5，A2，A6，A3，A7。這樣這9個(gè)標(biāo)簽就可以保證無(wú)碰撞地被讀寫器識(shí)別，這種多標(biāo)簽防碰撞沖突是多標(biāo)簽定位系統(tǒng)能夠正常工作的前提。

3 定位算法設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用的定位算法是圓周定位法，圓周定位法是利用讀寫器接收標(biāo)簽信號(hào)得到RSSI值，通過(guò)相關(guān)的定位計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行定位的一種方法。
    無(wú)線信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系可以用式(3)來(lái)表示，其中RSSI是接收信號(hào)強(qiáng)度，d是收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離，n是信號(hào)傳播因子，EAF是環(huán)境因子。
   
    由式(1)中可以看出，射頻參數(shù)A和n的值決定了接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系。A和n用于描述通信操作環(huán)境。射頻參數(shù)A被定義為dbm，表示距發(fā)射機(jī)1 m時(shí)接收到信號(hào)平均能量的絕對(duì)值，如平均接收能量是-10 dbm，那么參數(shù)A就被定義為10。射頻參數(shù)n指出了信號(hào)能量隨著到收發(fā)器距離增加而衰減的速率，其數(shù)值的大小取決于無(wú)線信號(hào)傳播的環(huán)境。通過(guò)大量的比較和驗(yàn)證，得到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合環(huán)境因子EAF的大概值為13．5，A取45，n取3．5。依據(jù)式(1)可得到待定位標(biāo)簽到讀寫器的直線距離，r表示讀寫器與待定位標(biāo)簽之間的距離，即r=d。3個(gè)讀寫器的位置已知，分別是p1(x1，y1)，p2(x2，y2)，p3(x3，y3)。則待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)計(jì)算如式(2)所示：
   
    三邊定位的示意圖如圖4和圖5。

    實(shí)驗(yàn)中將3個(gè)讀寫器放在坐標(biāo)為(2，2)，(2，4)，(4，4)的位置上，分別依次對(duì)9個(gè)待定位標(biāo)簽進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。9個(gè)待定位標(biāo)簽放在4 mx4 m的正方形區(qū)域內(nèi)，相鄰的待定位標(biāo)簽相互之間相隔2 m，具體布置如圖6所示。

    分別對(duì)每個(gè)標(biāo)簽到讀寫器的RSSI值測(cè)試20次，并記錄其數(shù)據(jù)，通過(guò)上述圓周定位算法對(duì)得到的RSSI值進(jìn)行處理，得到各個(gè)待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

    圖7中圓圈表示標(biāo)簽的理論位置，星點(diǎn)表示標(biāo)簽的定位位置，每一個(gè)標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)20次。從圖中可以看出每個(gè)區(qū)域的20個(gè)星點(diǎn)都圍繞在圓圈附近，說(shuō)明定位位置相比于理論位置存在定位誤差。分別對(duì)9個(gè)標(biāo)簽點(diǎn)的20次定位測(cè)試結(jié)果進(jìn)行均方差統(tǒng)計(jì)，均方差的范圍在0.236～0.541之間。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中介紹了一種基于低功耗微控制器PIC16F877A和收發(fā)器CC2500的RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，介紹了硬件模塊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；利用基于序列號(hào)對(duì)時(shí)隙數(shù)運(yùn)算的排序算法解決了多標(biāo)簽識(shí)別的防碰撞問(wèn)題；利用圓周定位算法對(duì)待定位標(biāo)簽進(jìn)行了局域定位。實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)方法及算法能夠在多標(biāo)簽狀態(tài)下完成一定精度的實(shí)時(shí)定位，驗(yàn)證了該局域定位方法的可行性。