有源RFID定位系统的设计与实现

有源RFID定位系统的中心议题：
    * 定位技术分析
    * 设计并实现了有源RFID定位系统
有源RFID定位系统的解决方案：
    * 由阅读器、标签、通信网络和后台服务器四个部分构成
    * 硬件结构
    * 软件结构

定位系统是指在有限的区域内，如企业内部、校园、港口、仓库等，对财产和人员进行定位和跟踪。随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航 的需求日益增大，已成为一个新兴产业并成为21世纪最热门的研究领域之一。目前，常用的定位技术包括红外线、超声波、GPS、Wi－Pi等，但这些技术存 在定位范围小、抗干扰能力差、定位精度低等缺陷。本文针对这些不足，设计并实现了有源RFID定位系统，该系统很好驷弥补了这些缺陷，适用于更多的场合。

1、定位技术分析

红外线定位技术只适合于短距离传播，且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，所以该定位技术在定位范围和定位精确上有很大的局限性。

超声波传播定位技术虽然距离较远，但是受多径效应和非视距传播影响大，因此该定位技术对环境要求苛刻，且不适用于室内环境定位。

GPS定位技术是目前应用最为广泛的室外定位技术，它是⒛世纪70年代初美国用于军事目的开发的卫星导航定位系统，主要利用几颗卫星的测量数据计算移动用户位置，覆盖范围大，但是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，因此该定位技术只适用于室外不适合室内定位。

Wi－Pi定位技术应用于小范围的室内或室外定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，Wi-Fi收发器都只能覆盖半径在90 m以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。

在分析了现有技术不足之后，在此基础上提出了以RFID技术为核心的定位技术。RFID技术同现有定位技术相比，不但具有成本上的优势，而且RFID定 位技术对环境的要求和受到环境的影响都很小，且定位精度较高，传输范围大，同时还能从定位目标中读取有关该对象的大量信息。

2、系统构成

本文设计的有源RFID定位系统由阅读器、标签、通信网络和后台服务器四个部分构成，如图1所示。


 图1系统构成

各个阅读器内部存储了自身的位置信息，并能通过无线射频的方式发送给进人该区域的标签。标签与阅读器之间通过射频通信可以测量出无线电传输的伪距，并据 此计算出自身位置信息，然后上报至阅读器。通信网络则可以将阅读器收到的信息传输至后台服务器，同时后台服务器还可以通过该网络控制各个阅读器。

系统安装完成后，标签能够通过无线射频方式完成自身位置的确定，并且通过通信网络上传到后台服务器上。后台服务器收集标签信息，并提供标签位置的网络服务。

3、硬件结构

本系统的标签和阅读器具有相同的硬件结构，系统设计分为以下部分：主控制器、无线射频收发及测距模块、天线、供电系统。系统原理框图如图2所示。


图2系统原理图

为 适应高速数据处理和网络通信的需要，系统以Atmel公司的Atmega64为主控芯片。ATmega64单片机采用Harbard结构，具有单周期的 RISC指令系统，内部具有硬件乘法电路，数据处理速度快；I／0端口可直接驱动较大电流负载；具有读写及地址锁存允许控制引脚，便于扩展和使用外部接口 和外部存储空间；支持在线编程（ISP）及在线应用编程（IAP），方便现场修改和调试程序；具有支持主／从机模式的SPI串行通信接口，可以方便连接主 ／从机模式的串行通信单元。为了满足通信和数据高速处理的需要，本系统采用16 MHz晶振。

无线射频收发及测距模块采用 Nanotron公司的NanoPAN模块。该模块采用宽带线性调频扩频（CSS）技术，并为IEEE 802．15．4a标准所采用。收发器为一款 2．4 GHzISM频段无线装置，可灵活地提供31 25 Kb／s～2 Mb／s范围的数据传输率，其点对点测距精度在1～2 m之内，可同时提供具 有极佳传输范围的可靠数据通信。通过采用一个MAC控制器，可降低对微处理器和软件的要求，轻松地完成高级别系统的设计。

天线部分 采用直接匹配天线的设计。由于空间限制，无线收发模块与天线之间通过导线直接连接，设计中采用铁氧体屏蔽和电磁屏蔽。铁氧体屏蔽用于减少金属对天线的影 响，电磁屏蔽用于减少由天线线圈本身产生的磁场。为了在PCB板上做一个屏蔽的天线，至少要做到4层板，最上层和最下层要有非封闭的屏蔽环路。这样的环路 提供了电磁屏蔽，改善了电磁兼容性。

由于读写器和标签要向空间发射无线信号，需要消耗较多的电能，所以该系统采用自带电源，并根据实际功耗选择适当容量的电池系统，使整体系统的使用不受影响。

4、软件结构

标签与读写器具有相同的软件结构，如图3所示。该系统采用Atmel公司的AVR Studio作为开发平台，平台采用C语言编程。在软件系统中，标签 首先发送要求接人广播包的请求，等待读写器的响应，当收到3个以上（包含3个）读写器响应后，标签开始对收到的读写器进行测距，完成测距后根据读写器位置 信息计算出自己的位置坐标并通过广播上传至读写器，开始新一轮测距。其程序流程图如图4所示。


 图3 标签、读写器软件结构


图4程序流程

5、测试结果

在系统测试中，将该定位系统应用于学校实验楼中的人员定位，通过3个固定的读写器对标签进行实时定位并在PC上进行实时动态显示。其中实心点为读写器所 在位置，空心点为标签。最后通过多次实际测试得到图6的统计曲线图，该系统在距离大于4 m的范围内具有较高的定位精度。


 图5 人员定位


图6统计曲线

本文介绍了有源RFID定位系统的设计与实现。提供了硬件平台结构设计方案，阐述了系统的定位方法以及软件工作流程。根据本方案实现的有源RFID定位系统具有定位精度高，抗干扰能力强，定位范围大等优点。