基于RFID的室內無線定位實驗教學系統(tǒng)設計

鄧昀+程小輝

摘要：以RFID技術為基礎，設計室內無線定位實驗教學系統(tǒng)，其由有源RFID固定標簽、有源RFID移動標簽、有源RFID讀寫器、定位服務器4部分組成。結合系統(tǒng)設計，對系統(tǒng)的實驗功能需求進行了分析，提出了基于該實驗系統(tǒng)的實驗教學內容，其包含設計型和綜合型實驗，并探討了該系統(tǒng)在科研方向的應用。該實驗系統(tǒng)對培養(yǎng)RFID領域的研究設計型人才具有重要作用。

關鍵詞：RFID；室內無線定位；實驗教學系統(tǒng)；RSSI；三角形加權質心算法

DOIDOI：10.11907/rjdk.171765

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0045-05

0 引言

物聯(lián)網技術是繼現(xiàn)代計算機、移動互聯(lián)網技術之后，世界信息產業(yè)發(fā)展的又一次重大機遇，它可以實現(xiàn)人與人、人與物、物與物的緊密聯(lián)系和相互交流。因此，作為物聯(lián)網產業(yè)根本要素的人才培養(yǎng)尤為重要。高校實驗教學是高等教育的一個重要組成部分，其質量高低直接影響著教學與科研質量[1]。

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術作為物聯(lián)網概念中的重要一員，其技術已經在室內定位、車輛識別、門禁安全、物流、產品防偽等領域得到了廣泛應用。室內定位能在室內環(huán)境下為指定對象和用戶提供有效的跟蹤、定位和導航服務，停車場、商場、火車站等場所對定位和導引的需求日趨強烈。此外，精準營銷、智能制造、智能物流等行業(yè)也需要計算機系統(tǒng)能夠實時計算、識別特定對象的位置。這些需求為室內定位系統(tǒng)（ Indoor Localization System，ILS）提供了巨大的機會。與其它室內定位技術相比，如視頻分析、超聲波、紅外技術等，RFID無線射頻室內定位技術具有覆蓋區(qū)域廣、定位精度高、成本低等特點。

本文結合室內定位技術的應用需求，以及物聯(lián)網人才的培養(yǎng)需求，設計了基于有源RFID技術的室內無線定位實驗教學系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)由有源RFID固定標簽、有源RFID移動標簽、有源RFID讀寫器、定位服務器4部分組成。RFID固定標簽定期發(fā)射-18dBm、-12dBm、-6dBm和0dBm的射頻功率信號值；RFID移動標簽周期性地接收固定標簽發(fā)送的射頻功率信號值，并封裝成數據幀發(fā)送給有源RFID讀寫器；RFID讀寫器通過RS-232串口將數據幀發(fā)送給定位服務器；定位服務器采用基于RSSI定位方法的三角形加權質心算法進行定位計算，實時顯示移動標簽的位置坐標信息。

系統(tǒng)主要包含3方面設計：①定位算法設計，基于RSSI定位方法的三角形加權質心算法計算移動標簽的位置坐標；②定位跟蹤模塊硬件設計，包括固定標簽、移動標簽、讀寫器的硬件設計；③定位模塊程序設計，包括固定標簽、移動標簽、讀寫器的程序設計，以及實時定位、歷史數據顯示、軌跡回放功能模塊的程序設計。定位系統(tǒng)流程如圖1所示。

（1）固定標簽、移動標簽、讀寫器部署：在應用場景中，按一定坐標位置、一定距離部署好固定標簽，使固定標簽信號能覆蓋應用場景，然后將讀寫器通過RS-232串口與定位服務器連接。移動標簽在應用場景中進行移動。

（2）設備初始化：打開有源RFID移動標簽與有源RFID固定標簽、有源讀寫器的電源，分別進行I/O、RF、RTC2初始化。

（3）發(fā)送功率：固定標簽進行初始化之后，定期發(fā)射-18dBm、-12dBm、-6dBm和0dBm的功率射頻信號功率值。

（4）接收功率：移動標簽按照設定的時間周期輪詢接收各個固定標簽發(fā)送的射頻信號功率值，并將其封裝成數據幀后發(fā)送給讀寫器。

（5）讀寫器：讀寫器接收移動標簽發(fā)送過來的數據幀，通過RS-232串口與定位服務器通信，將數據幀傳輸給定位服務器。

（6）定位服務器：接收讀寫器發(fā)送的數據幀并進行解析，然后采用基于RSSI定位方法的三角形加權質心算法計算移動標簽的坐標位置，完成實時定位、歷史數據顯示、軌跡回放3大功能。

2 系統(tǒng)詳細設計

2.1 定位算法設計

三角形加權質心算法的中心思想是：移動標簽節(jié)點和所有參與定位的固定標簽節(jié)點的坐標信息點圍成幾何多邊形，計算多邊形的質心坐標作為自己的估計位置。其具體計算流程為：固定標簽節(jié)點向移動標簽節(jié)點周期性地發(fā)射射頻信號功率值，根據RSSI定位方法計算出移動標簽與固定標簽的距離，并且記錄發(fā)射射頻信號功率值的固定標簽ID和位置坐標。當移動標簽節(jié)點在接收到固定標簽發(fā)送過來的射頻信號功率值的數量超過移動標簽設置的門限參數值后，認為該移動標簽節(jié)點與發(fā)射信號功率值的固定標簽節(jié)點兩者之間處于連通狀態(tài)，移動標簽節(jié)點將自身坐標信息點和處于連接狀態(tài)的固定標簽節(jié)點的坐標信息點圍成多邊形，再將多邊形分割為n個三角形，計算每個固定標簽的權值（通過權值來體現(xiàn)固定標簽節(jié)點對質心位置決定權的大小），最后求出n個三角形的質心坐標信息點M1（X1，Y1），M2（X2，Y2），M3（X3，Y3）…Mn（Xn，Yn），并計算所有坐標信息的平均值，作為移動標簽節(jié)點的坐標M（X，Y）。其具體實現(xiàn)步驟如下：

2.2 定位模塊硬件設計

定位模塊硬件主要分為兩部分：一是讀寫器，二是標簽。標簽具體可分為固定標簽和移動標簽。讀寫器的硬件由MCU（微控制器）、串口電路、射頻收發(fā)模塊、天線和電源5部分構成，硬件結構如圖4所示。

在讀寫器的硬件結構中，射頻收發(fā)模塊連接天線后接收移動標簽傳輸過來的射頻信號功率值，接口電路對功率值進行放大、濾波等處理，再由SPI接口發(fā)送給MUC進行解碼、糾錯等處理，最后將功率值通過串口發(fā)送給定位服務器。

移動標簽和固定標簽由電源供電模塊、射頻收發(fā)模塊和微控制器模塊3部分構成，標簽硬件結構如圖5所示。

微控制器MCU是移動標簽、固定標簽的核心部分，它控制讀寫器與標簽之間的通信協(xié)議，射頻收發(fā)模塊主要完成功率值的接收與發(fā)送，有源RFID固定標簽通過射頻收發(fā)模塊發(fā)射射頻功率信號值，并形成一定區(qū)域的磁場圈，有源RFID移動標簽通過射頻收發(fā)模塊接收固定標簽發(fā)送的功率值，并發(fā)送給讀寫器。

2.3 定位模塊軟件設計

2.3.1 下位機軟件設計

下位機軟件設計包括固定標簽、移動標簽和讀寫器的程序設計。移動標簽主要完成與固定標簽之間的相關通信，其周期性地接收固定標簽發(fā)射的射頻信號功率值，并形成數據幀發(fā)送給讀寫器。讀寫器接收數據幀后發(fā)送給定位服務器，定位服務器對數據幀進行讀取、解析，采用基于RSSI定位方法的三角形質心加權算法計算位置坐標完成定位。固定標簽、移動標簽、讀寫器三者間的通信流程如6所示。

數據傳輸是定位模塊的關鍵部分，數據幀格式的設計對患者跟蹤定位模塊獲取正確數據進行定位起到關鍵性作用。數據幀由幀頭、移動標簽ID、固定標簽ID、對應的固定標簽發(fā)射功率值組成，數據幀格式設計如表1所示。

（1）有源RFID固定標簽程序設計。有源RFID固定標簽程序設計主要包括參數設置、初始化、發(fā)送射頻信號功率值3部分。參數設置包含數據發(fā)送地址、數據包長度、發(fā)送地址長度等設置，初始化主要包括：I/O、RF、RTC2等初始化。

（3）讀寫器程序設計。讀寫器主要接收移動標簽發(fā)送的數據幀，并通過串口發(fā)送給定位服務器。有源RFID讀寫器程序設計主要包括參數設置、初始化、存儲數據。參數設置包含接收地址、數據包長度、NVN存儲區(qū)域等設置，初始化主要包括：I/O、RF、RTC2初始化。

2.3.2 上位機軟件設計

上位機軟件使用C#編寫，主要包括3個功能：①實時位置坐標顯示（移動標簽坐標）；②歷史數據顯示，可以判斷移動標簽近段時間內的活動場所；③軌跡回放圖，將移動標簽活動的位置信息繪制出來，從軌跡圖中可以直觀了解移動標簽的活動區(qū)域。上位機軟件流程如圖8所示。

（1）定位服務器接收讀寫器發(fā)送的數據幀，判斷數據幀的幀頭是否是‘H1，然后判斷數據幀的有效長度。

（2）采用基于RSSI定位方法的三角形加權質心算法計算移動標簽的位置坐標。根據RSSI定位方法，首先將接收到的射頻信號功率值轉換為坐標信息點。所有的坐標信息點可以組成一個不規(guī)則的n邊形，將多邊形分割為n個三角形，然后再根據三角形加權質心算法計算出移動標簽的坐標位置。

（3）得到位置坐標信息后，在上位機軟件添加地圖，設置好地圖背景，完成創(chuàng)建畫筆對象和設置畫筆屬性一系列操作后，將移動標簽的位置坐標信息繪制在地圖上，實現(xiàn)定位功能。

（4）創(chuàng)建一個集合對象，將繪制在地圖界面上的坐標位置數據存儲在集合中。對集合進行遍歷，獲取所有的坐標位置數據，重復第4步操作，將所有的坐標位置數據繪制在地圖上，然后用創(chuàng)建好的畫筆對象將坐標信息點之間相連，得到患者的軌跡圖，實現(xiàn)軌跡回放功能。

（5）將讀寫器傳輸過來的移動標簽號ID、對應發(fā)送的固定標簽ID及其發(fā)送的射頻信號功率值、三角形加權質心算法計算出的坐標位置數據存儲在數據庫中，當要獲取歷史數據，可以根據存儲的定位信息來完成歷史數據的顯示功能。

3 實驗教學內容設計

結合有源RFID技術的功能、開發(fā)技術，以及室內無線定位系統(tǒng)的具體功能，設計了實驗教學內容，其主要包括設計型實驗和綜合型實驗。設計型實驗的主要教學目的是讓學生掌握C#語言編程，以及有源RFID的基本操作功能；綜合型實驗的主要教學目的是讓學生掌握室內無線定位系統(tǒng)下位機、上位機相關功能的程序設計，以及有源RFID技術的綜合應用。主要實驗教學內容如表2所示。

目前，基于指紋技術、模式識別、機器學習的無線網絡室內定位技術正在進行大量研究，因此該實驗教學系統(tǒng)還可作為科研平

臺使用。

4 結語

本文以RFID技術為基礎，設計室內無線定位實驗教學系統(tǒng)，對系統(tǒng)的實驗功能需求進行了分析，設計了基于該實驗系統(tǒng)的實驗教學內容，并探討了該系統(tǒng)在科研方向的應用。該實驗系統(tǒng)對培養(yǎng)RFID領域的研究設計型人才具有重要作用。

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（責任編輯：黃 健）

英文摘要Abstract：Based on RFID technology，the indoor wireless positioning experiment teaching system is designed.The system consists of four parts including active RFID fixed tags，active RFID mobile tags，active RFID reader，positioning server.The fixed label of RFID regularly transmits the radio frequency power signal value of the -18dBm，-12dBm，-6dBm and 0dBm.The RFID mobile tag periodically receives the RF power signal value sent from the fixed tag and encapsulates the data frame into the active RFID reader.The RFID reader sends the data frame to the location server via the RS-232 serial port.The positioning server adopts the triangular weighted centroid algorithm based on the RSSI localization method to locate the position and display the position coordinate information of the moving tag in real time.In view of the system design，the experimental function of the system is analyzed，and the experimental teaching content，which involves both design experiment and integrated experiment，is proposed according to this experimental system.Furthermore the application of the system in scientific research is discussed.The experimental system plays an important role in the cultivation of research design talents in the field of RFID.

英文關鍵詞Key Words：RFID； Indoor Wireless Location； Experimental Teaching System； RSSI； Triangle Weighted Centroid Algorithm