一種近距離無線定位的方法研究

朱世交，楊 珺

(上海電力學(xué)院 電子信息與工程學(xué)院，上海 200090)

隨著RFID射頻技術(shù)和ZigBee技術(shù)的發(fā)展，以及近距離無線通信識別技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使無線通信技術(shù)在近距離實現(xiàn)人員間通信成為可能，與此相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)也有了長足的發(fā)展［1-3］.

在特定地理位置的保密和安全場所，涉及的通信范圍較窄，設(shè)備和巡邏人員分布面較廣且復(fù)雜，流動性、時效性較強(qiáng)，地面與中心人員的信息交流比較困難，因此實時動態(tài)掌握巡邏人員，特別是在特殊安全區(qū)人員的數(shù)量、位置和身份［4，5］的分布及狀態(tài)情況，實現(xiàn)人員的精確定位管理，以便采取必要的措施及時救助，將事故損失和影響降至最低顯得尤為重要和緊迫［1］.建立可靠實用的巡邏人員定位系統(tǒng)，對改善巡邏人員執(zhí)勤、加強(qiáng)安全監(jiān)督具有重要的現(xiàn)實意義.

目前，絕大多數(shù)針對巡邏人員的跟蹤系統(tǒng)都只停留在粗劣定位的層面上，雖然能在一定程度上跟蹤到巡邏人員的位置，但存在系統(tǒng)集中管理上的缺陷，事發(fā)現(xiàn)場一旦出現(xiàn)事故，就難以評估其具體方位.

為探索巡邏人員定位系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和邏輯的交互關(guān)系，本文采用 ZigBee［6］射頻技術(shù)，實現(xiàn)射頻卡到中心的數(shù)據(jù)通信，最后通過計算機(jī)連線實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)控.

1 巡邏人員定位系統(tǒng)可行性分析

ZigBee是一種新的無線連接技術(shù)，主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率，以及近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用［7］.基于ZigBee的系統(tǒng)節(jié)點具有多跳路由功能，能夠組成蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性［8］.

無線近距離通信的拓樸關(guān)系如圖1所示.圖1中，移動射頻卡采用有源電源控制，通過基站進(jìn)行無線信息的接收和采集，并對采集后的信息進(jìn)行中心基站報告，然后由客戶數(shù)據(jù)端對中心基站的信息進(jìn)行分析及后續(xù)處理.數(shù)據(jù)包命令通信格式如圖2所示.

圖1 無線近距離通信拓?fù)潢P(guān)系描述

圖2 通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)描述

其中，在單數(shù)據(jù)操作中，通過同步碼和驗校碼來標(biāo)記一幀完整的數(shù)據(jù)包，定義特定的命令代碼及結(jié)構(gòu)用于數(shù)據(jù)傳輸;功率和強(qiáng)度標(biāo)記當(dāng)前卡被接收時的能量狀況，驗校碼使用CRC32方法進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性驗證.在巡邏人員移動定位過程中，中心報告的信息具有重復(fù)的數(shù)據(jù)流，一張卡可以被不同基站所接收，并被反映在數(shù)據(jù)碼流中.

由于每個基站的功率不同，因此接收到的信號強(qiáng)度在相對基準(zhǔn)強(qiáng)度情況下具有參考價值;另外，由于物理環(huán)境的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)反射情況，射頻卡的信號強(qiáng)度反映到接收數(shù)據(jù)數(shù)值大小上時具有跳躍性(如信號反射和多次接收等因素)，因此可以考慮使用滑動濾波器對接收的強(qiáng)度進(jìn)行濾波.

式中:W——可控窗口的大小;

fi——當(dāng)前信號的強(qiáng)度.

為了實現(xiàn)信號強(qiáng)度到物理距離的轉(zhuǎn)換，在特定有限區(qū)域內(nèi)，可實現(xiàn)相對基準(zhǔn)信號強(qiáng)度到物理距離的變換，即:

式中:dn——當(dāng)前距離位置點，由基準(zhǔn)位置和當(dāng)前信號強(qiáng)度位置及上一次變化的距離坐標(biāo)位置決定;

Φ——當(dāng)前信號強(qiáng)度變化對應(yīng)的物理距離位置，具體由實際測試的分段函數(shù)構(gòu)成;

dbase——參考距離位置點.

2 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基站布局規(guī)則

基站由不同位置的檢測點構(gòu)成，考慮到實際的運行效果及布局特征，可將基站進(jìn)行點線方式的布局，如圍墻、崗哨等基本布局結(jié)構(gòu).因此，系統(tǒng)在實際運行情況下要通過虛擬基站在地圖上的位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.

巡邏路徑及地理布局結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 巡邏路徑及地理布局結(jié)構(gòu)

通過基站近鄰關(guān)系可以決定當(dāng)前射頻卡所在基站的位置，但由于干擾和反射等因素，基站之間存在物理上的不確定性，因此本文設(shè)定基站位置為5 元組，即 I，X，Y，SW，SH.其中，I用于確定基站直接的相互近鄰關(guān)系，其對應(yīng)的值為一維數(shù)值型數(shù)據(jù);X和Y為基站所在地圖上的左上角位置;SW和SH分別為基站的寬度和高度.此處定義布局規(guī)則如下:

(1)Place Station on the route line;

(2)Find the nearest stations;

(3)Sort Stations by Index;

(4)Any Card can only be detected at most two stations.

在部署接收信息基站的過程中，由于是近距離通信，因此要考慮實際遮擋物的狀況，分析最近遮擋物信息狀況，以實現(xiàn)對基站信息的有效部署.

3 定位算法

巡邏人員攜帶的射頻卡可能被不同基站接收，對檢測到的射頻卡，其所在地圖上的區(qū)域位置，由卡檢測信息的當(dāng)前和歷史狀態(tài)決定.如圖4所示，定位所在位置由主服務(wù)基站作為服務(wù)基站，同時還有臨小區(qū)基站信息作為參考，通過協(xié)同的服務(wù)關(guān)系決定其具體的位置.

圖4 當(dāng)前位置與服務(wù)小區(qū)的關(guān)系示意

對近鄰基站而言，根據(jù)其讀取到卡被基站檢測的狀況信息，決定卡所在地圖的位置.移動巡邏人員的巡邏路徑以直線邊界為一般工作環(huán)境，因而此處考慮巡邏路徑的不同方向性特征，當(dāng)前卡位置移動存在X和Y兩個方向.為減少檢測基站的實施數(shù)量和成本，本設(shè)計中考慮一張卡最多被兩個不同的基站檢測到，決定基站中心點位置取決于兩個基站的位置.具體區(qū)域位置的確定算法如下(其中“|”表示“或”關(guān)系).

運動方向位置通過 DΔY|ΔX來確定，其值定義為－1或+1兩個方向，同時可以計算出巡邏路徑中人員所在的中心位置，對獲取的基站中心區(qū)域，同時考慮通過歷史信息記錄獲取的基站位置信息，以及卡接收信號的強(qiáng)度，通過有限光滑濾波及點位置進(jìn)行修正;射頻卡通過基站數(shù)據(jù)信息可以定位到具體地圖內(nèi)有限區(qū)域的具體位置.

通過配置巡邏計劃表，對射頻卡進(jìn)行動態(tài)檢查與確定，在卡不能被正確檢測時，系統(tǒng)給出具體的執(zhí)行情況表和報警信息，從而實現(xiàn)對巡邏人員的動態(tài)檢測，方便對巡邏人員的定位和管理.

4 結(jié)論

(1)與以前的定位技術(shù)相比，本系統(tǒng)的優(yōu)點在于將無線射頻識別技術(shù)與近距離測量方法相結(jié)合，將人員巡邏路徑確定到合理區(qū)域，實現(xiàn)了人員有限區(qū)域的精確定位;

(2)本系統(tǒng)的安全性較高，具有實時監(jiān)測在崗巡邏人員狀況的功能，具有設(shè)備與施工簡單、成本造價較低、實用功能較強(qiáng)等特點.

(3)系統(tǒng)采用無線與有線通信相結(jié)合的方式，具有良好的可擴(kuò)展性，可應(yīng)用于不同巡邏情況下的人員檢測和定位管理.

［1］TRAPPEY Amy J C，LU Tunghung，F(xiàn)U Lidien.Development of an intelligent agent system for collaborative mold production with RFID technology［J］.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2009，25(1):42-56.

［2］SUN Bo，XIAO Yang，LI Chung Chih，et al.Security co-existence of wireless sensor networks and RFID for pervasive computing［J］.Computer Communications，2008，21(18):4 294-4 303.

［3］YOON Wonju，CHUNG Sanghwa，LEE Seongjoon.Implementation and performance evaluation of an active RFID system for fast tag collection［J］.Computer Communications，2008，31(17):4 107-4 116.

［4］KANG Sooyoung，LEE Deokgyu，LEE Imyeong.A study on secure RFID mutual authentication scheme in pervasive computing environment［J］.Computer Communications，2008，31(18):4 248-4 254.

［5］CHEN Yalin，CHOU Juesam，SUN Hungmin.A novel mutual authentication scheme based on quadratic residues for RFID systems［J］.Computer Networks，2008，52(12):2 373-2 380.

［7］BARONTI Paolo，PILLAI Prashant，CHOOK Vince W C，et al.Wireless sensor networks:A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards［J］.Computer Communications，2007，30(7):1 655-1 695.

［8］錢鈞，楊汝清，王晨，等.基于路標(biāo)的智能車輛定位［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2007，41(6):894-898.