當(dāng)前位置:首頁 > 物聯(lián)網(wǎng) > 《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》雜志
[導(dǎo)讀]摘要:RFID是一種非接觸式自動(dòng)識別技術(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)來簡化對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,從而簡化WLAN管理,有效提高網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性。

引言

RFID(RadioFrequencyIdentification)即無線射頻識別,又稱電子標(biāo)簽。RFID是一種通信技術(shù),可通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù),而無需識別系統(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)識別技術(shù),可以快速讀寫、長期跟蹤管理,因而在智能識別領(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)品中會被植入RFID標(biāo)簽,RFID技術(shù)的應(yīng)用將會是相當(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。

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)會將其收到的信號強(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,相對于環(huán)境底下的許多感應(yīng)標(biāo)簽,分別針對環(huán)境中的某一個(gè)未知坐標(biāo)的追蹤物件,做相對信號強(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)簽之間相對的信號強(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),在收集信號強(qiáng)度的過程中,該定位方法還引入了信號衰退模型來估算信號強(qiáng)度,所以期待所收集的信號強(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)步與生產(chǎn)成本的降低上,對于室內(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  信號強(qiáng)度法定位技術(shù)

信號強(qiáng)度法(ReceivedSignalStrength,RSS)就是利用通道傳播模型去描述路徑損耗對于距離的衰減情況。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)傳播會呈現(xiàn)出多重路徑干擾衰減以及屏蔽效應(yīng),這些因素會造成接收信號強(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)生誤差,這樣的話,移動(dòng)物的預(yù)估位置就不會與前面的計(jì)算交于一點(diǎn),而會落在一個(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(AngleofArrival,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(TimeofArrival,TOA)定位技術(shù)采用幾何原理,這與信號強(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)不是信號強(qiáng)度,而是信號的傳播時(shí)間。由主動(dòng)式標(biāo)簽發(fā)射到讀取器的信號傳播時(shí)間可知,將信號傳播時(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)樾盘柕膫鞑ニ俣确浅??,所以,TOA對于時(shí)間的敏感度很高,必須十分準(zhǔn)確地測量信號實(shí)際的傳播時(shí)間。即使是很細(xì)微的時(shí)間誤差,也會導(dǎo)致真實(shí)距離的誤差,而且誤差可能會很大。

3.4  收信時(shí)間差定位技術(shù)

收信時(shí)間差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)定位技術(shù)采用測量信號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)終端對基站進(jìn)行監(jiān)聽并測量出信號到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差,每兩個(gè)基站得到一個(gè)測量值,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TOA的改進(jìn),它不是直接利用信號到達(dá)時(shí)間,并不需要精確的時(shí)間同步,因此,定位精度會有所提升。

TDOA的公式是通過測量移動(dòng)終端信號分別到多個(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:

Rii=Ri—Ri=(ti—ti)c

(R21+Ri)2=K;—2X2Xm—2YYm+R1

(R31+Ri)2=K3—2X3Xm—2XYm+Ri

Ki=xi+Y2

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。

20210911_613c691963ab5__基于RFID技術(shù)的無線定位系統(tǒng)

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