基于RFID技術(shù)的實(shí)時(shí)電子地圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江靜煒 余強(qiáng) 趙佳

摘要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，基于RFID技術(shù)的定位系統(tǒng)在旅游景區(qū)、倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。在室內(nèi)利用RFID讀卡器通過(guò)總線方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，構(gòu)成一個(gè)室內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)，RFID讀卡器通過(guò)讀取RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，根據(jù)通信的信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)確定RFID標(biāo)簽的位置，并通過(guò)GIS系統(tǒng)在上位機(jī)上對(duì)RFID標(biāo)簽的地理位置和標(biāo)簽信息進(jìn)行展示。研究表明，該設(shè)計(jì)方案能夠不依賴衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對(duì)在其通信范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行定位、管理，并為其它應(yīng)用提供地理位置信息支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：RFID技術(shù)；GIS系統(tǒng)；實(shí)時(shí)定位

DOIDOI：10.11907/rjdk.161607

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2016）005-0076-03

0 引言

RFID 是利用無(wú)線通信技術(shù)，在非物理接觸的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入射頻范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行讀寫。RFID具有存儲(chǔ)量大、抗干擾性強(qiáng)、能多次讀寫、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[1]。RFID技術(shù)不僅可以應(yīng)用于門禁系統(tǒng)，還可以通過(guò)多個(gè)RFID閱讀器利用總線的方式進(jìn)行連接，構(gòu)建一個(gè)局域網(wǎng)，對(duì)在射頻范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行讀取，根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。目前，基于RFID技術(shù)的定位系統(tǒng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)RFID技術(shù)，結(jié)合GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)目標(biāo)定位功能，使其可以在衛(wèi)星信號(hào)微弱的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

1 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種可以在無(wú)人情況下進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象識(shí)別的無(wú)線識(shí)別技術(shù)[2]。通過(guò)目標(biāo)物體內(nèi)置的芯片標(biāo)簽，可以將信息連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，用以進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別、追蹤以及確認(rèn)目標(biāo)對(duì)象所處的狀態(tài)。RFID定位系統(tǒng)主要由RFID電子標(biāo)簽、天線、RFID讀寫器以及計(jì)算機(jī)等部分組成。RFID電子標(biāo)簽又分為主動(dòng)式標(biāo)簽、被動(dòng)式標(biāo)簽與半主動(dòng)式（半被動(dòng)式）標(biāo)簽3類，其中主動(dòng)式電子標(biāo)簽的讀寫距離長(zhǎng)，自帶內(nèi)存較大，能夠提供讀寫器傳來(lái)的額外信息的存儲(chǔ)空間，但能耗和成本較高，而被動(dòng)式的電子標(biāo)簽由于其能耗低且成本不高，也不需要額外提供電源，因此得到了廣泛應(yīng)用。RFID讀寫器既能夠通過(guò)天線發(fā)射無(wú)線載波信號(hào)，也能夠接受電子標(biāo)簽所發(fā)出的電磁信號(hào)。RFID讀寫器所接受到的信息可以接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給控制中心。

網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（Web Geographic Information System，WebGIS）通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布和應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的共享和互操作，如GIS信息的在線查詢和業(yè)務(wù)處理等。WebGIS客戶端使用Web瀏覽器，如IE、FireFox、Chrome。WebGIS是利用Internet技術(shù)來(lái)擴(kuò)展和完善GIS的一項(xiàng)新技術(shù)，其核心是在GIS中嵌入HTTP標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)Internet環(huán)境下的空間信息管理和發(fā)布。其本質(zhì)是一種瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)，服務(wù)器端向客戶端提供信息和服務(wù)，瀏覽器（客戶端）具有獲得各種空間信息和應(yīng)用的功能。WebGIS的主要作用是進(jìn)行空間數(shù)據(jù)發(fā)布、空間查詢與檢索、空間模型服務(wù)、Web資源組織等[3-4]。

當(dāng)前主流GIS軟件的開(kāi)發(fā)方式是在商業(yè)的GIS軟件平臺(tái)之上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。但是商業(yè)GIS平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費(fèi)用高、功能固定、擴(kuò)展性較差，難以滿足中小型GIS應(yīng)用軟件的要求，而開(kāi)源GIS軟件平臺(tái)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已逐步成熟，甚至一些產(chǎn)品在性能上能夠與商業(yè)GIS平臺(tái)相媲美，在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用也逐漸廣泛，而且其開(kāi)源、免費(fèi)、可定制功能等特性有利于與其它信息系統(tǒng)進(jìn)行功能上的融合與擴(kuò)展。因此，實(shí)時(shí)GIS室內(nèi)定位系統(tǒng)可以使用開(kāi)源的GIS平臺(tái)，目前的開(kāi)源GIS軟件大多遵循開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium，OGC）所制定的規(guī)范。

通過(guò)RFID系統(tǒng)可以對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與跟蹤，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電子標(biāo)簽被貼在目標(biāo)對(duì)象上用以唯一標(biāo)識(shí)該對(duì)象，RFID讀寫器首先通過(guò)天線發(fā)射出電磁信號(hào)，當(dāng)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)入RFID讀寫器的識(shí)別范圍內(nèi)，其中的電子標(biāo)簽便將自身信息也通過(guò)無(wú)線電發(fā)送給讀寫器，讀寫器可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將電子標(biāo)簽的信息送往服務(wù)器。由RFID系統(tǒng)采集到的實(shí)時(shí)信息能夠存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為WebGIS電子地圖展示的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，WebGIS按照Web三層體系架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)定位的目標(biāo)對(duì)象位置在室內(nèi)電子地圖中的實(shí)時(shí)更新顯示。

2 實(shí)時(shí)GSI電子定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 GIS定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

整個(gè)實(shí)時(shí)GIS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照Web三層體系架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用開(kāi)源的WebGIS解決方案。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、展示層[4]，其系統(tǒng)框架如圖2所示。

其中，數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)是將室內(nèi)的CAD圖紙使用ESRI ArcGIS進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，并使用Udig清理無(wú)用的地圖元素之后得到的一系列ESRI Shapefile 地圖數(shù)據(jù)源，也可以將其導(dǎo)入PostGis空間數(shù)據(jù)庫(kù)中。業(yè)務(wù)邏輯層主要處理定位數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)，通過(guò)GeoTools工具集將Shapefile數(shù)據(jù)源導(dǎo)入到Geoserver中，通過(guò)Geoserver將電子地圖通過(guò)WMS的方式發(fā)布出來(lái)，同時(shí)RFID定位服務(wù)所得到的原始數(shù)據(jù)也在該層得到近似處理。展示層使用常用的Struts和AJAX引擎相結(jié)合的方式將業(yè)務(wù)邏輯層中的數(shù)據(jù)通過(guò)JSON的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸與存儲(chǔ)，同時(shí)采用開(kāi)源的Openlayers進(jìn)行各類圖像符號(hào)與地圖的展示。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

RFID定位服務(wù)需要使用到的數(shù)據(jù)主要有RFID電子標(biāo)簽、RFID近距離讀寫器、分別綁定的目標(biāo)對(duì)象。通常情況下，人員是移動(dòng)著的，而物品是固定的，因此將人員與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行綁定而將物品與RFID讀寫器綁定。由此設(shè)計(jì)出tab_RFIDTag、tab_RFIDReader、tab_user、tab_object、tab_temp_record和tab_log_record共6張基本表，各數(shù)據(jù)表的詳細(xì)信息分別如表1～表6所示。

其中，tab_temp_record表中的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)更新的，而tab_log_record表中的數(shù)據(jù)是作為日志記錄增量追加的。

由于人員與標(biāo)簽、物品與讀寫器、讀寫記錄與標(biāo)簽以及讀寫記錄與讀寫器之間存在著約束關(guān)系，因此使用外鍵對(duì)這幾個(gè)關(guān)系進(jìn)行約束[5]。

2.3 RFID技術(shù)與GIS系統(tǒng)結(jié)合方案

目前，射頻技術(shù)行業(yè)將讀寫器劃分為3個(gè)頻段：低頻（125～134KHz）、高頻（13.56MHz）、超高頻（860～960MHz），頻段選擇依據(jù)該頻段下電磁波的傳輸特性，其直接決定了讀卡系統(tǒng)的工作原理（電感耦合和電磁耦合），還決定了射頻識(shí)別的距離以及相應(yīng)讀卡器的制作難度和成本。

射頻技術(shù)的發(fā)展使得單一頻段的讀卡器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的要求，本系統(tǒng)中如果只使用單一低頻段的讀寫器，雖然單個(gè)讀寫器成本低，但是考慮到室內(nèi)大面積范圍內(nèi)的精確定位，需要布置多個(gè)點(diǎn)位的低頻讀寫器，反而會(huì)使得成本升高；如果只使用單一高頻段的讀寫器，雖然單個(gè)讀寫器的射頻識(shí)別距離提高了，需要的讀寫器少了，但是并不能達(dá)到精確定位的目的?？紤]到成本和定位精確度，本系統(tǒng)的RFID讀寫器同時(shí)采用低頻與超高頻的兩種讀寫器，低頻段的讀寫器稱為喚醒源，因?yàn)槠渥R(shí)別標(biāo)簽的距離為0.5～1m，當(dāng)目標(biāo)物品靠近時(shí)才會(huì)將其喚醒，實(shí)際上是向其發(fā)送信息，而超高頻段的為遠(yuǎn)距離被動(dòng)的以太網(wǎng)讀寫器，它主要負(fù)責(zé)接收4～6m內(nèi)所有喚醒源主動(dòng)對(duì)其發(fā)送自己所收集到的所有標(biāo)簽信息。RFID標(biāo)簽的識(shí)別是整個(gè)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)也最核心的部分，由于需要實(shí)時(shí)地對(duì)RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，因此需要一個(gè)定時(shí)器每隔一段時(shí)間就對(duì)RFID讀寫器所能識(shí)別的最大范圍內(nèi)的所有RFID標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。該模塊流程如圖3所示。

目的地址為RFID讀寫器獲取到的數(shù)據(jù)所要上傳的設(shè)備的IP地址，例如監(jiān)控電腦終端的IP地址。目的端口指接收終端用來(lái)接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)端口，可設(shè)定在1～65 535范圍內(nèi)，該端口設(shè)定前需確認(rèn)其沒(méi)有被其它進(jìn)程所占用。

地圖數(shù)據(jù)包含電子地圖的底圖與RFID定位服務(wù)所產(chǎn)生的定位數(shù)據(jù)兩部分。底圖數(shù)據(jù)是通過(guò)原始CAD圖紙進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化和線條清理而得到，再通過(guò)Udig進(jìn)行樣式編輯。

Udig是一個(gè)遵循OpenGIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的開(kāi)源桌面應(yīng)用程序框架，構(gòu)建于Eclipse RCP和GeoTools（一個(gè)開(kāi)源的Java GIS工具包）上的桌面地理信息系統(tǒng)，是一個(gè)開(kāi)源的空間數(shù)據(jù)查看器與編輯器，可以進(jìn)行Shapefile格式的地圖文件編輯和查看。在Udig中經(jīng)過(guò)處理最終得到的地圖底圖如圖4所示，從圖中可以看到它由5張不同的圖層所組成，各個(gè)圖層的顏色不同，由于地圖發(fā)布時(shí)樣式為可選項(xiàng)，因而可以將各個(gè)圖層的樣式文件導(dǎo)出以保證該底圖與最終發(fā)布顯示的底圖樣式一致。

定位服務(wù)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)形如的三元組，其中，通過(guò)readerID可以唯一確定喚醒源（低頻RFID讀寫器）的位置即它在地圖底圖上的x、y坐標(biāo)，因?yàn)檫@是布置設(shè)備時(shí)就確定的，如果其狀態(tài)是“已用”，則將其識(shí)別出的標(biāo)簽在底圖上描繪出來(lái)，由于受溫度、濕度、電磁場(chǎng)周圍環(huán)境等因素影響，其精度在0.8～1.2m。布置點(diǎn)位時(shí)考慮到硬件的客觀條件，因此在以喚醒源為圓心，半徑為1.5m的范圍內(nèi)只布置一個(gè)喚醒源，保證一個(gè)標(biāo)簽只能被一個(gè)喚醒源所識(shí)別，描繪標(biāo)簽時(shí)隨機(jī)地在底圖上以喚醒源（x，y）為圓心，以按長(zhǎng)度1.5m經(jīng)比例尺換算過(guò)后的長(zhǎng)度為半徑的圓內(nèi)隨機(jī)描繪識(shí)別出的標(biāo)簽。

地圖使用開(kāi)源的GIS服務(wù)器geoserver進(jìn)行發(fā)布，發(fā)布方式為WMS（Web Mapping Service），由于底圖由多個(gè)圖層所構(gòu)成，因此發(fā)布出來(lái)的是一個(gè)圖層組，而不是單個(gè)圖層。Shapfile 數(shù)據(jù)源由多個(gè)*.shp文件組成，每個(gè)文件代表一個(gè)圖層，各圖層又分別對(duì)應(yīng)一個(gè)*.sld的樣式文件。圖層組發(fā)布的一般步驟為：①新建工作區(qū)；②新建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；③應(yīng)用樣式文件；④填寫對(duì)應(yīng)的地理參考坐標(biāo)系并計(jì)算邊界；⑤發(fā)布圖層；⑥新建圖層組，加入所需圖層；⑦發(fā)布圖層組。圖層組中每個(gè)圖層的參考坐標(biāo)系都應(yīng)該一致，否則發(fā)布出來(lái)的底圖會(huì)顯示不正常。

地圖中除顯示整個(gè)全局區(qū)域的底圖外，還應(yīng)該有標(biāo)識(shí)各區(qū)域空間的符號(hào)元素，例如衛(wèi)生間、電梯等。通過(guò)Openlayers，可以在瀏覽器中描繪出各圖像符號(hào)并且能夠?qū)崿F(xiàn)瀏覽、漫游與縮放地圖等操作。

3 實(shí)時(shí)GSI電子定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境配置

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

射頻識(shí)別模塊使用C#進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Sql Server 2008，布置好RFID相關(guān)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境后，點(diǎn)擊開(kāi)始即可開(kāi)始識(shí)別。

WebGIS模塊使用Ajax引擎和struts框架，定期從表tab_temp_record中讀取數(shù)據(jù)，并用JSON的數(shù)據(jù)格式傳遞給前臺(tái)頁(yè)面，前臺(tái)頁(yè)面再使用Openlayers在底圖上進(jìn)行標(biāo)簽的描繪從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的人員監(jiān)控功能。同時(shí)喚醒源也是與相應(yīng)物品綁定的，因此也可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的物品定位功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)⒍郣FID閱讀器利用RS485總線連接構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)，RFID閱讀器通過(guò)無(wú)線的方式獲取目標(biāo)RFID標(biāo)簽的地理位置信息和標(biāo)簽信息并通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)，在應(yīng)用層采用GIS技術(shù)將RFID閱讀器傳送的信息在地圖上進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)區(qū)域的目標(biāo)定位及檢測(cè)功能，使工作人員能夠非常直觀地查看目標(biāo)位置信息，并為工作人員決策提供依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）