基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究

摘 要：文章是基于無源電子標(biāo)簽的RFID室內(nèi)無線定位技術(shù)的研究。首先簡述了當(dāng)前使用的各種定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)與研究RFID室內(nèi)定位技術(shù)的重要性，然后對(duì)RFID室內(nèi)定位技術(shù)做了簡單概述，最后細(xì)述了文章的主要研究流程。

關(guān)鍵詞：RFID；室內(nèi)定位；無線通信

引言

定位系統(tǒng)是將硬件、軟件、通信協(xié)議、定位算法等多種技術(shù)相互結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)。[1]譬如我國的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、歐盟的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星定位系統(tǒng)、美國的全球定位系統(tǒng)等皆是當(dāng)今世界極其成功且重要的定位系統(tǒng)。但是，這些定位系統(tǒng)只在室外才可發(fā)揮其高精度的定位功能，而當(dāng)處在室內(nèi)時(shí)，由于室內(nèi)建筑物彼此遮擋等多種不利因素的存在，使得上述定位系統(tǒng)無法對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行覆蓋，因而幾乎無法在室內(nèi)環(huán)境成功定位。目前較為成功的室內(nèi)定位技術(shù)主要有：室內(nèi)A-GPS定位系統(tǒng)、紅外技術(shù)、超聲波技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、Zigbee技術(shù)、超寬帶技術(shù)和RFID技術(shù)等。[2]而RFID定位技術(shù)能在短時(shí)間內(nèi)識(shí)別大量的標(biāo)簽，短距離接觸即可完成信息的交換和處理，因此在室內(nèi)定位方面非常受歡迎。[3]也因此RFID憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，逐漸在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理、金融交易、倉儲(chǔ)管理等數(shù)十個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。[4]

1 RFID定位技術(shù)概述

無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）技術(shù)是一種通過無線電信號(hào)來識(shí)別特定物體的通信技術(shù)，即射頻電子設(shè)備發(fā)射電磁波信號(hào)，電磁波信號(hào)通過空間耦合來自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并在顯示終端進(jìn)行顯示。該技術(shù)在各方面應(yīng)用廣泛，而基于這個(gè)特點(diǎn)提出的RFID室內(nèi)定位技術(shù)更是現(xiàn)今科學(xué)研究的熱門之一。[5]一般而言，一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)主要由閱讀器（又稱讀寫器）、電子標(biāo)簽和應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成，其基本工作原理是：閱讀器和電子標(biāo)簽之間通過射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)非接觸通信信道，在通信信道內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與能量的轉(zhuǎn)換。[6]其中電子標(biāo)簽又可分為有源、無源或半有源電子標(biāo)簽，由于無源電子標(biāo)簽價(jià)格低廉、使用簡單、操作方便、壽命較長，因此文章研究的是無源電子標(biāo)簽在RFID定位中的實(shí)現(xiàn)手段。

在所有定位技術(shù)中，可分為測距定位技術(shù)和無需測距定位技術(shù)，而參考依據(jù)為是否要測量閱讀器與電子標(biāo)簽的距離。無需測距的定位技術(shù)不需要直接測量參考電子標(biāo)簽之間的距離或角度信息，而是根據(jù)定位網(wǎng)絡(luò)的連通性確定網(wǎng)絡(luò)中參考電子標(biāo)簽之間的跳數(shù)，然后根據(jù)已知參考標(biāo)簽的位置信息估計(jì)出每一跳的大致距離，再根據(jù)相應(yīng)的定位算法估計(jì)出節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置。[7]基于無需測距定位技術(shù)原理簡單，便于研究，且在大部分場合其精度可滿足所需的定位要求的優(yōu)點(diǎn)，文章研究無需測距的RFID室內(nèi)定位技術(shù)。

2 RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)概述

RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺(tái)室內(nèi)位置顯示終端，一個(gè)嵌入有RFID讀卡器和微型無源RFID標(biāo)簽的鞋子，嵌入了無源RFID標(biāo)簽的地板和無線通信網(wǎng)絡(luò)組成。鞋子獲得地板RFID標(biāo)簽的信息和自身的RFID標(biāo)簽信息后，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到室內(nèi)位置顯示終端，在終端圖形化界面上顯示用戶的當(dāng)前位置，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的室內(nèi)定位。

2.1 RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)有三個(gè)部分：RFID卡片（無源電子標(biāo)簽），讀寫器，后臺(tái)處理器，如圖1所示。

（1）RFID卡片：采用厚度為1.8mm，工作頻率為125KHZ，內(nèi)部由耦合元件及芯片構(gòu)成的RFID卡片，卡片含內(nèi)置天線。每張卡片都有其特定的序列號(hào)。工作時(shí)，RFID卡片接受讀寫器的射頻信號(hào)，將存儲(chǔ)在芯片中的電子信息通過天線以射頻信號(hào)的形式反饋給讀寫器[1]。

（2）讀卡器：由天線，藍(lán)牙模塊，以及基本的電路連接組成，與電源連接，主要通過射頻信號(hào)的發(fā)出，使RFID卡片感應(yīng)出電流來獲得能量，然后將存儲(chǔ)在芯片中的電子信息通過天線以射頻信號(hào)的形式反饋給讀寫器[1]，由此進(jìn)行對(duì)RFID卡片的識(shí)別與分析。而讀寫器通過藍(lán)牙模塊的信號(hào)傳輸，可將RFID內(nèi)部的信息傳輸?shù)胶笈_(tái)處理器。

（3）后臺(tái)處理器：手機(jī)，電腦等電子設(shè)備，通過接收來自讀寫器的信息，依靠本身設(shè)計(jì)的算法對(duì)來自RFID卡片的信息進(jìn)行處理和分析，并通過軟件自身設(shè)計(jì)的程序把數(shù)據(jù)具象化的呈現(xiàn)給使用者。

2.2 研究流程

在文章所涉及的研究內(nèi)容中，其研究流程如下：

（1）測定電子標(biāo)簽ID號(hào)。電子標(biāo)簽是RFID定位系統(tǒng)中存儲(chǔ)目標(biāo)信息并具有無線通信功能的電子裝置，每個(gè)電子標(biāo)簽都有唯一的ID號(hào)碼。首先利用閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)測出各個(gè)芯片的ID號(hào)碼，這相當(dāng)于一個(gè)譯碼過程，即把每個(gè)電子標(biāo)簽攜帶的ID號(hào)碼讀取出來。

（2）安置電子標(biāo)簽。為節(jié)約研究材料和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，首先取來一塊木板并進(jìn)行模擬房屋設(shè)計(jì)（如圖2），在房屋的不同地方放置不同芯片（1，2，3，4，5，6等），使得整個(gè)房屋地板被電子標(biāo)簽覆蓋。

（3）開發(fā)應(yīng)用程序。將房屋中各處放置的標(biāo)簽及其ID號(hào)碼一一對(duì)應(yīng)編寫，在應(yīng)用程序中編寫相同的房屋形狀設(shè)計(jì)，并在應(yīng)用程序中對(duì)應(yīng)的地方編輯相應(yīng)的ID號(hào)碼。

（4）測試。將手持式閱讀器放入房屋之中不斷移動(dòng)，當(dāng)閱讀器處在不同地方之時(shí)，便可感應(yīng)不同地方的電子標(biāo)簽信息，讀取出其攜帶的ID號(hào)碼，并在應(yīng)用程序上實(shí)時(shí)顯示出閱讀器所在的位置。

3 結(jié)束語

由于RFID室內(nèi)定位技術(shù)具有非視距、免接觸、高速識(shí)別、定位精準(zhǔn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，且在使用過程中方便簡易，資金耗用較低，因而將在今后室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展中扮演高度重要的角色，而且在車輛識(shí)別、門禁控制、產(chǎn)品防偽、停車場管理等諸多方面都已得到重要應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展與人們生活需求的提高，RFID室內(nèi)定位技術(shù)還將在KTV、網(wǎng)吧、舞廳等娛樂場所得到進(jìn)一步應(yīng)用，至于圖書館管理系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)等更是其大展拳腳之地。

參考文獻(xiàn)

[1]李魏峰.基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)，2010.

[2]哈卡米.基于RFID的室內(nèi)定位算法研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]陳宇琦.RFID測距的研究與應(yīng)用[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]林敏.RFID標(biāo)簽定位技術(shù)研究[D].江蘇大學(xué)，2007.

[5]Klaus Finkenzeller.射頻識(shí)別技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[6]費(fèi)先江.基于RFID技術(shù)的室內(nèi)無線定位識(shí)別系統(tǒng)的研發(fā)[D].華南理工大學(xué)，2015.

[7]徐渠.基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2013.

作者簡介：吳志勇，男，大學(xué)生，研究方向是無線電物理學(xué)。

*通訊作者：鄭譽(yù)煌，男，博士，研究方向是工業(yè)自動(dòng)化。