基于RFID技術(shù)的無線定位系統(tǒng)

摘要：RFID是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它的應(yīng)用非常廣泛。SpotON系統(tǒng)、LANDMARC系統(tǒng)都是基于RFID的無線定位系統(tǒng)。文章介紹了RFID用于室內(nèi)定位的4種不同的定位模式，同時(shí)介紹了采用RFID技術(shù)來簡(jiǎn)化對(duì)WLAN基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行管理的思科無線定位解決方案。該解決方案可從WLAN基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部跟蹤數(shù)千個(gè)無線設(shè)備，從而簡(jiǎn)化WLAN管理，有效提高網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性。
關(guān)鍵詞：無線射頻識(shí)別；定位技術(shù)；無線網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言
    RFID(Radio Frequency Identification)即無線射頻識(shí)別，又稱電子標(biāo)簽。RFID是一種通信技術(shù)，可通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。因此，RFID是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可以快速讀寫、長(zhǎng)期跟蹤管理，因而在智能識(shí)別領(lǐng)域有著非常好的發(fā)展前景。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)的快速發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)支撐技術(shù)的RFID技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一。未來幾年中，將有更多的產(chǎn)品中會(huì)被植人RFID標(biāo)簽，RFID技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)是相當(dāng)?shù)膹V泛。
    定位服務(wù)是非常受到人們青睞和重視的一項(xiàng)技術(shù)。目前，人們比較熟知的定位服務(wù)是GPS(全球定位系統(tǒng))，而越來越多的其它無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也開始進(jìn)入定位服務(wù)這一領(lǐng)域，例如GSM手機(jī)定位、Wi-Fi定位、RFID定位、ZigBee定位、藍(lán)牙定位等。而RFID技術(shù)的廣泛使用，使得在室內(nèi)定位上，RFID定位已經(jīng)具有很大的優(yōu)勢(shì)。

1 SpotON系統(tǒng)
    第一個(gè)使用RFID技術(shù)作為室內(nèi)定位系統(tǒng)的是SpotON，在這個(gè)定位系統(tǒng)中，SpotON以聚集演算法計(jì)算收集到的信號(hào)強(qiáng)度。在SpotON方法中，未知物體的定位并沒有經(jīng)過系統(tǒng)中央集中管理的過程，而是由其它的硬件規(guī)格相同的感知點(diǎn)以分散式計(jì)算的方式來完成的。這些分散在感知環(huán)境中的感知點(diǎn)會(huì)將其收到的信號(hào)強(qiáng)度資料收集起來并反饋，最后以定位演算法計(jì)算出未知物體的預(yù)測(cè)位置。
    在SpotON系統(tǒng)中的定位方法，就是利用RFID讀取器和許多感應(yīng)標(biāo)簽，構(gòu)建一個(gè)有一定范圍的室內(nèi)無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，相對(duì)于環(huán)境底下的許多感應(yīng)標(biāo)簽，分別針對(duì)環(huán)境中的某一個(gè)未知坐標(biāo)的追蹤物件，做相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的計(jì)算。這個(gè)計(jì)算可由RFID讀取器端收到的未知坐標(biāo)物與感應(yīng)標(biāo)簽之間相對(duì)的信號(hào)強(qiáng)度資料，透過中間軟件系統(tǒng)加以分析，最終通過分析資料推算出該未知追蹤目標(biāo)的位置。同時(shí)，在收集信號(hào)強(qiáng)度的過程中，該定位方法還引入了信號(hào)衰退模型來估算信號(hào)強(qiáng)度，所以期待所收集的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)能夠更加精確。

2 LANDMARC系統(tǒng)
    LANDMARC是利用RFID技術(shù)進(jìn)行定位的一個(gè)效果不錯(cuò)的系統(tǒng)，與SpotON相比，LANDMARC系統(tǒng)在硬件環(huán)境上使用了有較大讀取范圍和回應(yīng)能力的主動(dòng)式感應(yīng)標(biāo)簽作為實(shí)際過程中的標(biāo)簽硬件規(guī)格。另外，在算法上，采用LANDMARC方法，能修正傳統(tǒng)定位上的一些盲點(diǎn)。由于實(shí)際針對(duì)各種定位系統(tǒng)的情況進(jìn)行了不同的研究，因此，LANDMARC方法所計(jì)算出來的定位數(shù)據(jù)的可靠性大大增強(qiáng)了。
    LANDMARC系統(tǒng)在實(shí)際使用中，提出了一種整體的定位演算法，這種定位演算法除了使利用RFID設(shè)備用于定位上的準(zhǔn)確率更高之外，在產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與牛產(chǎn)成本的降低上，對(duì)于室內(nèi)定位的應(yīng)用而言，該系統(tǒng)也具有更大的價(jià)值與商機(jī)。

3 RFID技術(shù)的4種定位模式
    雖然RFID技術(shù)可應(yīng)用于室內(nèi)的定位，但由于室內(nèi)環(huán)境擺設(shè)復(fù)雜、精密度要求高，所以，室內(nèi)定位系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中非常困難，包含信號(hào)強(qiáng)度收集、資料庫建立、定位演算法、如何正確取得來自各個(gè)RFID讀取器的信號(hào)資料、RFID讀取器與RFID標(biāo)簽應(yīng)該如何擺設(shè)以提高系統(tǒng)定位的正確性、如何經(jīng)由估算的方式來降低定位系統(tǒng)的建立成本，以及收到相關(guān)信號(hào)資料后如何轉(zhuǎn)換為位置咨詢等。
    目前，在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行定位服務(wù)的定位模式有信號(hào)強(qiáng)度法、收信角度法、收信時(shí)間、收信時(shí)間差等4種。
3．1 信號(hào)強(qiáng)度法定位技術(shù)
    信號(hào)強(qiáng)度法(Received Signal Strength，RSS)就是利用通道傳播模型去描述路徑損耗對(duì)于距離的衰減情況。如果利用這個(gè)信息進(jìn)行定位，那就必須事先構(gòu)建該環(huán)境的傳播損失模型，只有這樣，才能通過信號(hào)強(qiáng)度的衰減來判斷移動(dòng)物與固定物之間的距離。移動(dòng)物位置應(yīng)該位于以固定物為圓心，以預(yù)估距離為半徑的圓上，所以，必須至少要有3個(gè)固定物，方能進(jìn)行定位。由于無線電在室內(nèi)傳播會(huì)呈現(xiàn)出多重路徑干擾衰減以及屏蔽效應(yīng)，這些因素會(huì)造成接收信號(hào)強(qiáng)度與自由真空中傳播結(jié)果的很大差異，從而使預(yù)估的傳播距離產(chǎn)牛誤差，這樣的話，移動(dòng)物的預(yù)估位置就不會(huì)與前面的計(jì)算交于一點(diǎn)，而會(huì)落在一個(gè)預(yù)估區(qū)域內(nèi)。
3．2 收信角度法定位技術(shù)
    收信角度法(Angle of Arrival，AOA)定位系統(tǒng)的工作原理是利用具有方向性的天線或天線陣列來判斷主動(dòng)式標(biāo)簽信號(hào)可能的來源方向。這個(gè)方向在2D平面上可決定出一條以RFID讀取器為起點(diǎn)的直線，用兩個(gè)以上的RFID讀取器測(cè)量出這個(gè)主動(dòng)式標(biāo)簽的方向，兩條以上的直線的交點(diǎn)就是主動(dòng)式標(biāo)簽的可能位置。
    AOA定位技術(shù)目前并非是多數(shù)讀取器定位系統(tǒng)的主流技術(shù)，但將來如果增加讀取器智慧型天線設(shè)備，并且提高系統(tǒng)的角度解析度，而且，AOA可以在不增加讀取器設(shè)備的情況下與主動(dòng)式標(biāo)簽結(jié)合，則AOA有可能成為主流的定位技術(shù)。
3．3 收信時(shí)間定位技術(shù)
    收信時(shí)間(Time of Arrival，TOA)定位技術(shù)采用幾何原理，這與信號(hào)強(qiáng)度法的幾何原理是相同的，唯一不同點(diǎn)是決定圓的半徑的參數(shù)不是信號(hào)強(qiáng)度，而是信號(hào)的傳播時(shí)間。由主動(dòng)式標(biāo)簽發(fā)射到讀取器的信號(hào)傳播時(shí)間可知，將信號(hào)傳播時(shí)間乘以傳播速度，就可以得到主動(dòng)式標(biāo)簽到讀取器之間的距離。TOA定位可以適用各個(gè)距離的定位，它不像AOA定位精確度會(huì)隨著主動(dòng)式標(biāo)簽與讀取器的距離增加而降低，但因?yàn)樾盘?hào)的傳播速度非?？欤?，TOA對(duì)于時(shí)間的敏感度很高，必須十分準(zhǔn)確地測(cè)量信號(hào)實(shí)際的傳播時(shí)間。即使是很細(xì)微的時(shí)間誤差，也會(huì)導(dǎo)致真實(shí)距離的誤差，而且誤差可能會(huì)很大。
3．4 收信時(shí)間差定位技術(shù)
    收信時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位技術(shù)采用測(cè)量信號(hào)從基站傳播到使用者的時(shí)間差以雙曲線定位的原理來進(jìn)行定位。
    該方法使用移動(dòng)終端對(duì)基站進(jìn)行監(jiān)聽并測(cè)量出信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差，每?jī)蓚€(gè)基站得到一個(gè)測(cè)量值，從而形成一個(gè)雙曲線定位區(qū)。這樣，三個(gè)基站就會(huì)得到兩個(gè)雙曲線定位區(qū)，通過求解它們的交界點(diǎn)并加上附加條件，就可以得到移動(dòng)終端的確切位置。TDOA是對(duì)TOA的改進(jìn)，它不是直接利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間，并不需要精確的時(shí)間同步，因此，定位精度會(huì)有所提升。
    TDOA的公式是通過測(cè)量移動(dòng)終端信號(hào)分別到多個(gè)基站的時(shí)間差的關(guān)系，然后通過矩陣運(yùn)算出移動(dòng)終端的空間坐標(biāo)X和Y。其方法如下：
    

4 思科的RFID解決方案
    思科(Cisco)的RFID無線定位解決方案能夠?qū)⒅腔弁卣沟骄W(wǎng)絡(luò)的邊緣。思科硬件增加了RFID中間件功能，該軟件能夠裝入從邊緣交換機(jī)到數(shù)據(jù)中心路由器等多種設(shè)備。軟件可以收集和過濾在邊緣讀取到的RFID信息，并在數(shù)據(jù)中心過濾數(shù)據(jù)，然后關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)并建立連接后端應(yīng)用的橋梁。思科無線定位解決方案是利用Cisco申請(qǐng)專利中的RF指紋技術(shù)，直接從WLAN基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部跟蹤數(shù)千個(gè)無線設(shè)備，從而簡(jiǎn)化WLAN管理，有效提高網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性，并最終改善解決問題的能力，降低運(yùn)營(yíng)成本。

5 結(jié)語
    隨著RFID技術(shù)的不斷發(fā)展以及RFID技術(shù)的廣泛使用，今后一定會(huì)有更多的基于RFID的定位實(shí)際應(yīng)用方案出現(xiàn)，RFID在定位上的應(yīng)用也會(huì)越來越多。特別是在短距離的室內(nèi)定位方面，和其它無線技術(shù)相比，RFID無線定位解決方案在定位方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。