基于RFID的大型室內場所的定位系統(tǒng)的設計

1 概述

　　隨著數(shù)據(jù)業(yè)務和多媒體業(yè)務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內環(huán)境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復雜室內環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術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)，其能量供應和數(shù)據(jù)交換是應用無線電和雷達技術實現(xiàn)的。RFID系統(tǒng)一般是由兩部份組成一閱讀器、應答器。

　　a．應答器：應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：閱讀器是采集應答器信息并對應答器發(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）、控制單元以及與應答器連接的禍合元件。此外，閱讀器還應該有附加接口（RS232＼RS485＼USB等），以便將獲得數(shù)據(jù)進一步傳給另外的系統(tǒng)（計算機、機器人控制裝置等）。

　　應答器是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，即內部不含電源，工作時，接收閱讀器發(fā)出的射頻電磁波，經(jīng)內部整流、電容穩(wěn)壓后作為電源。此外還有有源應答器，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，當應答器進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產生感應電流，應答器獲得能量被激活；應答器將自身編碼等信息通過其內置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從應答器發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該應答器的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作。

　　3 系統(tǒng)組成

　　3.1 總體描述

　　本系統(tǒng)的設計思路是在入口處給人員一RFID電子標簽，也叫電子卡，里面標有標簽的編號以及個人信息，在各個主要的據(jù)點安裝閱讀器。當人員接近閱讀器時，會自動讀取出標簽。

　　圖1 讀卡的基本的流程

　　信息以有停留時間、行走路線等其它相關數(shù)據(jù)。閱讀器將數(shù)據(jù)傳人后臺服務器，對數(shù)據(jù)進行平滑、數(shù)據(jù)校驗以及數(shù)據(jù)暫存等，數(shù)據(jù)經(jīng)RFID中間件進行加工、處理后，傳送到應用程序接口?；镜牧鞒桃妶D1。

　　基本機理：每個電子卡內都有一個32位的號碼，當電子卡呈現(xiàn)在閱讀器讀出范圍內時，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攜帶有電子卡號碼的應答信號，正是通過電子卡與閱讀器互相之間的信號問詢與應答，閱讀器就能夠準確快速地識別電子卡內攜帶的號碼，并將讀到的電子卡號碼按照一定的輸出格式輸出給計算機、外部控制器或其他終端設備，從而實現(xiàn)對電子卡的識別。當佩帶電子卡的人員來到終端人口處時，附近的閱讀器將讀到的電子卡號碼通過RS232傳遞給報到終端機，報到終端機再通過計算機網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)（讀到的電子卡號碼）傳遞給遠地的計算機服務器。這樣與服務器相連的報到終端機和查詢終端機就能夠實時更新數(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、計算機系統(tǒng)組成。

　　人員定位：主要是基于RFID無線網(wǎng)絡平臺，其中包括定位網(wǎng)絡節(jié)點（應答器）、無線ID模塊、標準電纜等，RFID無線網(wǎng)絡跟蹤定位系統(tǒng)采用RFID無線網(wǎng)絡技術，應答器設置成一個電子卡，而閱讀器則是安裝在室內固定的位置上，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動狀態(tài)的應答器。所安置的網(wǎng)絡模塊將自動組成一個RFID通信網(wǎng)絡，這個通信網(wǎng)絡實際就是一個定位網(wǎng)絡，每一個網(wǎng)絡節(jié)點就是一個定位點，網(wǎng)絡節(jié)點可通過自動讀取移動目標的信息和信號強度，來確定移動目標的位置信息，網(wǎng)絡定位點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，再通過交換機將信息上傳到終端管理計算機，實現(xiàn)人員的定位系統(tǒng)的全部功能。

　　圖2 系統(tǒng)的功能結構圖

　　數(shù)據(jù)傳輸：包括分線拉接頭、電纜接頭，網(wǎng)絡連接等，網(wǎng)絡節(jié)點可通過自動讀取移動目標的信息和信號強度，在RFID通信中各個節(jié)點之間傳輸，網(wǎng)絡節(jié)點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算機，人員跟蹤定位系統(tǒng)軟件處理，實現(xiàn)人員跟蹤定位系統(tǒng)的全部功能。

　　計算機系統(tǒng)：計算機硬件系統(tǒng)包括主機、電源系統(tǒng)、轉換接口、軟件保護器、打印機等；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)計系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫，人機界面等。

　　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)，以及進行定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理等。主要特點是：界面簡單美觀，易于操作控制；通過串口通信協(xié)議，實現(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，維護性和保密性好；快速查詢實時定位數(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)庫用于各個閱讀器及定位信息的存儲和查詢；串口通信控件實現(xiàn)主機控制閱讀器的工作模式，并與閱讀器進行數(shù)據(jù)交換。閱讀器控制模塊主要通過串口通信控件來實現(xiàn)主機對閱讀器的控制以及數(shù)據(jù)交換的功能；數(shù)據(jù)庫管理模塊是應用SQL Server數(shù)據(jù)庫進行定位信息的存儲、修改、查詢、維護等，完成標簽參數(shù)采集的實時地理坐標、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，結合室內地理信息實現(xiàn)室內定位系統(tǒng)所需的人員實時分布信息，綜合各方面的參數(shù)進行提取、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合WEB技術。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，得到相應的定位人員信息資料，并將其顯示在屏幕上，便于查詢人員了解到整個場所的現(xiàn)場情況。

　　結束語

　　以上提出了一種低成本的室內射頻識別（RFID）定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于移動臺自定位方案。在我們的系統(tǒng)中可以采用閱讀器安裝在室內固定的位置上，安裝在室內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動狀態(tài)的電子標簽。閱讀器通過檢測其周的電子標簽對自己的位置進行定位并將位置傳輸給計算機系統(tǒng)。