一種基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計

李巖 彭麗莎 余君明 李鳳麟 武漢工商學(xué)院

1 引言

定位技術(shù)分為室外定位技術(shù)和室內(nèi)定位技術(shù)，常見的室外定位技術(shù)包括GPS定位、基站定位等，其中以GPS定位技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它的定位精度為10米，測速精度為0.2米/秒，授時精度為10納秒，能在全球范圍內(nèi)全天候、全天時提供高可靠、高精度的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。

不論是GPS定位技術(shù)，還是我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在室內(nèi)環(huán)境中難以發(fā)揮用武之地，這是因為建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，導(dǎo)致衛(wèi)星信號嚴(yán)重衰減，無法達(dá)到精確定位的要求。

常見的室內(nèi)定位技術(shù)包括Wi-Fi定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)等等。任何一種室內(nèi)定位技術(shù)既存在優(yōu)勢，也存在不足。本文中描述的系統(tǒng)特點包括：低功耗、速率快、穿透力強、成本低、體積小，因此選擇RFID室內(nèi)定位技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)。由于RFID技術(shù)不具備網(wǎng)絡(luò)通信特征，且需要低功耗，因此選擇ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計思路

本系統(tǒng)的實質(zhì)是一個救援報警系統(tǒng)，被定位的對象在發(fā)生危險或突發(fā)疾病的情況下，能夠迅速的按下手環(huán)上的報警鍵一鍵報警，本系統(tǒng)的應(yīng)用場景設(shè)定為養(yǎng)老院、護理中心或醫(yī)院等醫(yī)護、醫(yī)養(yǎng)場所。當(dāng)被定位對象報警后，護理人員的手持移動終端上會有聲音報警，同時在界面上顯示報警人所處的位置。與此同時，在醫(yī)養(yǎng)機構(gòu)的監(jiān)控中心，也收到了報警，在服務(wù)器上建有一個Web系統(tǒng)，用于實時監(jiān)控被定位對象的情況。

本系統(tǒng)的設(shè)計由4部分組成，包括手持移動終端、可穿戴設(shè)備（手環(huán)）、上位機服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊模塊。

手持移動終端是一個基于Android系統(tǒng)的移動設(shè)備，本系統(tǒng)中將手機作為手持終端，通過一個APP軟件用來接收定位對象發(fā)送的信息，同時用手機鈴聲進(jìn)行報警，在這個APP中通過閃爍紅色原點的方式，顯示報警人所處的位置。

手環(huán)中包含RFID標(biāo)簽，用于當(dāng)被定位人發(fā)生危險時，如突發(fā)疾病等情況下，能夠通過觸碰按鈕一鍵報警；若是誤報，則允許報警人再次按下按鈕，取消報警。

上位機服務(wù)器用于接收手環(huán)報警信息，并能夠?qū)崟r監(jiān)控手環(huán)的在線狀態(tài)，當(dāng)手環(huán)在線時呈現(xiàn)綠色，當(dāng)手環(huán)報警時呈現(xiàn)紅色；若出現(xiàn)誤報，則允許報警人手動取消報警，閃爍的紅圓點變?yōu)榫G色。同時，上位機服務(wù)器保存報警人的基本信息。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊模塊包括網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點，將ZigBee模塊作為參考節(jié)點和盲節(jié)點，通過網(wǎng)關(guān)接收各節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，上傳到上位機服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。參考節(jié)點是一個位置固定的ZigBee模塊，它已知自己的位置，將自己的位置信息發(fā)送給盲節(jié)點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計思路

3.1 上位機服務(wù)器軟件設(shè)計思路

上位機服務(wù)器軟件是一個用Java語言編寫的Web信息系統(tǒng)，其功能包括：

（1）實時顯示建筑物地圖，建筑物地圖由醫(yī)養(yǎng)機構(gòu)提供，并在計算機中進(jìn)行圖形建模，同時顯示房間中佩戴了手環(huán)的被養(yǎng)護人狀態(tài)。若被養(yǎng)護人的狀態(tài)正常，則顯示綠色圓點；若發(fā)生報警，則相應(yīng)的位置顯示紅色圓點；若誤報，則允許報警人在手環(huán)上取消報警，同時紅色圓點變?yōu)榫G色。當(dāng)醫(yī)護人員處理完警情后，在系統(tǒng)中單擊確認(rèn)，則紅色圓點變?yōu)榫G色。

（2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用數(shù)據(jù)庫存儲被養(yǎng)護人的基本信息，如姓名、年齡、親屬、親屬聯(lián)系方式、家庭住址、病史等等信息。

（3）該系統(tǒng)還能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析被養(yǎng)護人報警的次數(shù)，從而判斷出被養(yǎng)護人發(fā)病的次數(shù)；還能分析被養(yǎng)護人報警的時間段，從而判斷報警人在一天中哪個時間或一年中哪些季節(jié)，發(fā)病的次數(shù)較多。能夠為醫(yī)養(yǎng)機構(gòu)的醫(yī)護人員提供疾病預(yù)判的參考數(shù)據(jù)。

（4）通過三邊定位算法，判斷報警人所在的位置，顯示在軟件地圖中。三邊定位算法的原理是：已測出盲節(jié)點到不共線的三個參考節(jié)點的距離分別為D1、D2和D3，則以三個參考節(jié)點的坐標(biāo)為中心，D1、D2和D3作為半徑分別畫三個圓，則可以求得盲節(jié)點的坐標(biāo)為三個圓相交的點。但在實際測量中，由于測量的誤差，三個圓沒有相交于一點，本系統(tǒng)中使用加權(quán)的方式改進(jìn)三邊定位算法，即以三個參考節(jié)點測量的距離為一組，進(jìn)行分組，然后將測得較遠(yuǎn)參考節(jié)點的距離加權(quán)，最后將每個組合得到的結(jié)果再加權(quán)，得到盲節(jié)點的位置。

3.2 手持終端設(shè)備軟件設(shè)計思路

手持終端設(shè)備使用Android系統(tǒng)，手持終端設(shè)備軟件是一個APP。該APP功能比較簡單，即實時顯示被養(yǎng)護人的狀態(tài)和報警位置信息。該APP中的地圖由醫(yī)養(yǎng)機構(gòu)提供，在Android環(huán)境中圖形建模。當(dāng)被養(yǎng)護人處于正常狀態(tài)時，APP上顯示被養(yǎng)護人所處的位置為綠色圓點；當(dāng)被養(yǎng)護人通過手環(huán)報警后，APP上對應(yīng)的該被養(yǎng)護人所處的位置為紅色、閃爍圓點，同時手持終端設(shè)備上的蜂鳴器或鈴音啟動；若誤報，則允許報警人取消報警信息，同時紅色圓點變?yōu)榫G色；若醫(yī)護人員處理完警情，則在手持設(shè)備上單擊確定，將紅點變?yōu)榫G點。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計思路

硬件設(shè)計包括網(wǎng)關(guān)、電子標(biāo)簽、閱讀器和ZigBee模塊、參考節(jié)點的設(shè)計。

網(wǎng)關(guān)設(shè)計包括無線通信模塊和輔助功能模塊。無線通信模塊主要用于電子標(biāo)簽、閱讀器、參考節(jié)點、盲節(jié)點、上位機服務(wù)器中間的信息傳遞，是本系統(tǒng)中的核心部分。輔助功能模塊主要負(fù)責(zé)完成串口通信、供電、將獲取的數(shù)據(jù)寫入上位機服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫等輔助功能。

電子標(biāo)簽、閱讀器和ZigBee模塊的設(shè)計。上位機服務(wù)器發(fā)送請求，網(wǎng)關(guān)將ID等信息無線發(fā)送給ZigBee模塊，ZigBee模塊將信息轉(zhuǎn)發(fā)給控制芯片，控制芯片通過調(diào)制的方式轉(zhuǎn)換編碼，然后通過天線以廣播的形式不間斷的發(fā)送信號。當(dāng)有電子標(biāo)簽進(jìn)入該區(qū)域，則附近的ZigBee模塊都會捕獲該標(biāo)簽，計算出標(biāo)簽與ZigBee模塊之間的距離，取三個最近的距離數(shù)值，再將得到的距離數(shù)值通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送給上位機服務(wù)器，用改進(jìn)的三邊定位算法估算出電子標(biāo)簽所處的位置。

5 結(jié)束語

本文描述的系統(tǒng)是一種基于RFID技術(shù)，用ZigBee組網(wǎng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，定位算法采用了改進(jìn)的三邊定位算法，該系統(tǒng)主要用以判斷人員所處的位置。該系統(tǒng)由上位機服務(wù)器、手持終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、RFID標(biāo)簽和閱讀器、ZigBee模塊組成，本文詳細(xì)描述了各組成部分的設(shè)計思路，以期實現(xiàn)一個低功耗、低成本、穿透力強、效率快、體積小的室內(nèi)定位解決方案。