基于LabVIEW的射頻識別室內(nèi)定位系統(tǒng)軟件設(shè)計

趙櫸云，張敬帥

(廣東省汕頭市超聲儀器研究所有限公司，廣東汕頭515041)

室內(nèi)定位技術(shù)是指通過相關(guān)定位算法準確獲取位于建筑物內(nèi)目標的位置信息，隨著倉儲物流、搶險搜救等對室內(nèi)定位需求的快速增大，室內(nèi)定位技術(shù)的要求日益增高，但由于受室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、多徑效應(yīng)明顯、定位設(shè)備成本高昂等因素的影響，基于紅外、藍牙等技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)尚不能實現(xiàn)大范圍的推廣，因此尋找成本低、定位精度好的定位系統(tǒng)成為了一個迫切需求［1］。

LabVIEW是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，除系統(tǒng)自帶多種功能函數(shù)控件用于滿足基本編程外，還可通過購置的方式獲得專用函數(shù)包以實現(xiàn)編程軟件的功能拓展，Lab-VIEW圖形化的編程語言簡潔易懂，能夠?qū)崿F(xiàn)算法到軟件的快速轉(zhuǎn)變，是效率極高的“工程師語言”［2］。

本文針對射頻識別(RFID)定位系統(tǒng)，提出了基于RSSI的Taylor級數(shù)展開定位算法，并在理論研究的基礎(chǔ)上，以LabVIEW編程語言為平臺，實現(xiàn)定位系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計。

1 基于RSSI的射頻識別室內(nèi)定位算法研究

1.1 射頻識別(RFID)技術(shù)

RFID系統(tǒng)由閱讀器、電子標簽、應(yīng)用軟件系統(tǒng)等3部分構(gòu)成，閱讀器發(fā)射射頻信號，電子標簽接收信號后將自身編碼信號發(fā)送至閱讀器，應(yīng)用軟件系統(tǒng)對編碼信號進行邏輯運算后，實現(xiàn)對電子標簽信息的識別，同時向閱讀器發(fā)出指令，完成信息讀、寫等功能操作。

1.2 RSSI定位方法

Signal Strength Indication)定位算法是根據(jù)室內(nèi)環(huán)境距離－損耗模型，通過對比接收端與發(fā)射端信號衰減情況計算兩者之間的距離，利用該算法進行定位測量時，需要設(shè)定已知節(jié)點作為參考位置，當(dāng)設(shè)置多個節(jié)點時，可利用三邊定位法實現(xiàn)對待測點的準確定位，其定位過程如下:設(shè)BS1，BS2，BS3為室內(nèi)3個參考節(jié)點，S為待測點實際位置，S'待測點估測位置，將信號發(fā)射端置于S點，則可通過BS1，BS2，BS3三點接收到的信號強度來計算各點與S點的距離。分別以BS1，BS2，BS3為圓心，各自到S點的距離為半徑畫圓，從理論上講，三個圓的交點便是待測點所在位置［3］，具體如圖1所示。

圖1 RSSI待定位節(jié)點與已知節(jié)點之間的關(guān)系

1.3 基于RSSI的Taylor級數(shù)展開算法

在理想狀態(tài)下，以參考點為圓心的各圓能夠相交于一點，但受實際環(huán)境中各種因素影響，大多數(shù)情況下，各圓相交部分為一個區(qū)域，若想要在區(qū)域內(nèi)準確獲得待測節(jié)點的位置，則需要通過相關(guān)算法進行計算。假設(shè)基于RSSI的定位系統(tǒng)中N個位置已知的參考節(jié)點坐標分別為(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)…(xn，yn)，根據(jù)各節(jié)點處信號強度及待測環(huán)境損耗模型參數(shù)，可計算出待測節(jié)點與各參考節(jié)點間距離分別為d1，d2，d3…dn，則根據(jù)兩點間的距離公式可得到以下方程:

根據(jù)上式可計算出待定位節(jié)點到兩個位置已知的參考節(jié)點距離差值為:

將上式在(x0，y0)處進行Taylor級數(shù)展開，且只保留了一次導(dǎo)數(shù)項，其展開結(jié)果為:

則上式的最小二乘解為:

重復(fù)遞歸計算，直至 Δx，Δy滿足|Δx|+|Δy|＜ζ，ζ為事先設(shè)定的門限，此時的(x，y)即為待定位節(jié)點的估計位置坐標［4］。

2 RSSI的射頻識別室內(nèi)定位軟件

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主要包括參數(shù)配置模塊、串口讀寫模塊、目標定位及顯示模塊、文件管理模塊等4部分［5］。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)配置模塊設(shè)計

該模塊主要實現(xiàn)對串口參數(shù)、傳播損耗模型參數(shù)、參考節(jié)點的位置坐標進行配置，配置方式為手動輸入，本文針對室內(nèi)大廳環(huán)境特點，對各參數(shù)設(shè)置了默認值。

2.3 串口讀寫模塊設(shè)計

該模塊通過調(diào)用LabVIEW串口通信功能選板中的Visa存儲函數(shù)完成功能設(shè)計，可通過COM1、COM2兩個串口實現(xiàn)控制指令、測試數(shù)據(jù)的讀寫，實現(xiàn)軟件系統(tǒng)與硬件平臺的信息交換。

2.4 節(jié)點定位與現(xiàn)實模塊設(shè)計

按照本文1.3中的Taylor級數(shù)展開算法應(yīng)用到基于RSSI的射頻識別室內(nèi)定位系統(tǒng)中，并完成目標定位與現(xiàn)實模塊設(shè)計，其流程圖如圖3所示。

由流程圖可知，系統(tǒng)首先根據(jù)接收到的節(jié)點RSSI值，通過定位環(huán)境中無線信號傳播損耗模型計算出參考節(jié)點到待定位節(jié)點之間的距離，最后將測量值與估計值的距離差用Taylor級數(shù)展開，并進行矩陣計算，用反復(fù)迭代的方式提高計算結(jié)果的精度，直到計算結(jié)果滿足預(yù)先設(shè)置的門限條件時，最終得到待定位節(jié)點的位置坐標。

圖3 系統(tǒng)總體程序流程圖

2.5 文件管理模塊設(shè)計

該模塊主要包括數(shù)據(jù)讀取、保存及報表打印等功能，通過調(diào)用報表生成相關(guān)控件實現(xiàn)，主要完成對測試數(shù)據(jù)的讀取保存、測試指令的發(fā)送及測試結(jié)果的打印等操作。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗方案

在理論研究及軟件設(shè)計開發(fā)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于RSSI的RFID室內(nèi)定位實測系統(tǒng)，用于驗證算法定位精度及軟件運行效果。

待定位環(huán)境:室內(nèi)大廳

待定位范圍:20 m×20 m正方形

節(jié)點情況:參考節(jié)點4個，待定位節(jié)點5個，閱讀器5個，分布如圖4所示。

圖4 節(jié)點分布示意圖

3.2 結(jié)果與分析

根據(jù)以上方案在室內(nèi)大廳中構(gòu)建基于射頻識別的定位系統(tǒng)，完成系統(tǒng)硬件協(xié)同搭建后，位于各參考節(jié)點的射頻閱讀器向位于待定位節(jié)點的電子標簽發(fā)射問答信號，閱讀器根據(jù)電子標簽的應(yīng)答信號判斷對應(yīng)節(jié)點之間的距離，利用前文提到的定位算法對圖中待定位節(jié)點Tag3的位置進行估算。

對待定位區(qū)域構(gòu)建二維坐標系，其中位于定位窗口四角位置的4個點分別表示四個參考節(jié)點，其坐標分別為 Tb1(2.5，2.5)，Tb2(2.5，22.5)，Tb3(22.5，22.5)，Tb4(22.5，2.5)，單位為米，具體數(shù)值可由系統(tǒng)界面上的參數(shù)設(shè)置模塊進行手動設(shè)置;虛弧線為分別以參考節(jié)點為圓心，以參考節(jié)點與待定位節(jié)點距離為半徑所畫的弧線，紅色圓點代表利用Taylor級數(shù)展開算法估算出的待測節(jié)點位置，方形點代表現(xiàn)地實測獲得的待測節(jié)點的位置，從圖中可以看出，單純使用圓相交的方法只能獲得定位區(qū)域，不能準確的得到待測點的位置，而使用Taylor級數(shù)展開算法能夠估算出待測節(jié)點的具體位置，且誤差較小。

圖5 基于RSSI的射頻室內(nèi)定位系統(tǒng)界面圖

4 結(jié)束語

隨著射頻識別技術(shù)和定位理論的發(fā)展，基于射頻識別技術(shù)的定位方法在室內(nèi)定位領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮陌l(fā)展空間和應(yīng)用潛力。本文在理論研究的基礎(chǔ)上，將Taylor級數(shù)展開應(yīng)用到了基于RSSI的射頻識別定位系統(tǒng)中，并以LabVIEW語言為平臺，設(shè)計開發(fā)了定位系統(tǒng)軟件，利用室內(nèi)大廳構(gòu)建試驗環(huán)境，對定位算法、軟件系統(tǒng)進行了測試驗證。

［1］郎為民.射頻識別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］倪巍，王宗欣.基于接收信號強度測量的室內(nèi)定位算法［J］.復(fù)旦大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，43(1):72－76.

［3］方震，趙湛，郭鵬，等.基于 RSSI測距分析［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20(11):2526 －2530.

［4］劉林，鄧平，范平志.基于Chan氏算法和Taylor級數(shù)展開法的協(xié)同定位方法［J］.電子與信息學(xué)報，2004，26(1):41－46.

［5］張敬帥，張丕狀.基于虛擬儀器的多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2011，4:74 －76.