隨著科技的進(jìn)步和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，人們對定位服務(wù)的要求越來越高，傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足室內(nèi)定位的需求,。GPS在戶外環(huán)境的定位中應(yīng)用廣泛,，但是由于混凝土等障礙物對電磁波的阻擋，它在室內(nèi)環(huán)境中是完全失效的,。筆者基于有源RFID技術(shù),，采用PIC系列單片機(jī)PIC16F877A和TI公司的射頻收發(fā)器芯片CC2500，設(shè)計出了一種低成本,、低功耗,，可以適用于室內(nèi)環(huán)境的無線定位系統(tǒng)。
1總體設(shè)計
RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)由讀寫器和標(biāo)簽組成,。其中讀寫器按照功能劃分可以分為4個模塊,，如圖1所示。分別是控制模塊,、射頻通信模塊,、定位信息顯示模塊,、電源模塊?？刂颇K負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的運行,，包括對各種外設(shè)的控制，以及完成定位算法的運行等,。射頻通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā),，采用ASK調(diào)制方式，實現(xiàn)讀寫器和標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳輸,。定位信息顯示模塊主要是顯示定位目標(biāo)的信息,。電源模塊用來給系統(tǒng)的各個單元提供工作電源。另外,，與上位機(jī)連接的讀寫器通過RS-232串口與上位機(jī)進(jìn)行通信,，所以部分讀寫器還帶有串口通信模塊。
圖1讀寫器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
標(biāo)簽主要由控制模塊,、射頻通信模塊,、電源模塊組成，如圖2所示,。
圖2標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
控制模塊中的微控制器通過SPI接口與射頻收發(fā)器通信,，在控制模塊的統(tǒng)一調(diào)度下，讀寫器與標(biāo)簽節(jié)點之間通過無線射頻通信交換信息,。在讀寫器的無線信號覆蓋區(qū)域內(nèi),，標(biāo)簽節(jié)點收到來自讀寫器的廣播信號后會處于激活狀態(tài)，處于激活狀態(tài)的標(biāo)簽節(jié)點會將自己的ID號發(fā)送給讀寫器,，然后接收讀寫器的請求命令,，將存儲于節(jié)點中的信息傳送給讀寫器；或者接收讀寫器的寫命令,，將來自讀寫器的信息寫入自己的存儲器中,。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1控制器部分
在系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到系統(tǒng)的功耗,、成本及性能等要求,，選擇Microchip公司的PIC16F877A作為系統(tǒng)的微控制器。
PIC16F877A是一款具有RISC結(jié)構(gòu)的16位高性能單片機(jī),，內(nèi)部集成了一個在線調(diào)試器（In-CircuitDebugger）,，可以實現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程。擁有35條單字指令,，8k×14個字節(jié)的FLASH程序存儲器,，368×8字節(jié)的RAM，8級硬件堆棧,，內(nèi)部看門狗定時器,，低功耗休眠模式,，高達(dá)25mA的吸入/拉出電流，外部具有3個定時器模塊,，擁有10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器,，通用同步異步接收/發(fā)送器等功能模塊。它具有功耗低,、驅(qū)動能力強,、外接電路簡潔等特點，同時具有哈佛總線結(jié)構(gòu),、尋址簡單,、指令條數(shù)少等優(yōu)點。
微控制器模塊主要由PIC16F877A單片機(jī)及其外圍電路組成,。其電路原理圖如圖3所示,。在讀寫器系統(tǒng)在中，PIC16F877A的RB0~RB3及RC7,，RD4~RD7用作向顯示模塊發(fā)送顯示數(shù)據(jù)的通信接口,；OSC1和OSC2擴(kuò)展外部時鐘電路；PIC16F877A單片機(jī)通過SPI接口設(shè)置CC2500的工作參數(shù)并與CC2500交換數(shù)據(jù),。
圖3單片機(jī)外圍電路原理圖
2.2射頻通信模塊
考慮到功耗,、接收靈敏度、傳輸速率和芯片成本等因素,，系統(tǒng)采用了TI公司的無線射頻收發(fā)芯片CC2500作為無線通信模塊控制器,。CC2500是TI公司推出的一款低成本、低功耗,、體積小的2.4GHz無線通信頻段的收發(fā)器,，工作頻率波段為2400~2483.5MHz,。RF收發(fā)器集成了一個數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500kbit/s的高度,，可配置的調(diào)制解調(diào)器和一個64位傳輸/接收FIFO（先進(jìn)先出堆棧）。CC2500的寄存器配置可通過SPI接口控制,。它具有載波監(jiān)聽和休眠模式,，非常適合低功耗應(yīng)用。
射頻通信模塊主要由CC2500收發(fā)器,、傳輸與接收天線及其外圍濾波,、匹配網(wǎng)絡(luò)組成，其中天線采用了Rainsun公司的貼片天線,，系統(tǒng)電路原理圖如圖4所示,。
圖4CC2500外圍電路原理圖
CC2500通過4線SPI兼容接口（SI，SO,，SCLK和CSN）與PIC16F877A相連,，這個接口用作寫入和讀取數(shù)據(jù),。SI為數(shù)據(jù)輸入線，SO為數(shù)據(jù)輸出線,，SCLK為時鐘線,，CSN為片選信號線，低電平有效,。SPI接口的狀態(tài)控制線還包含一個讀/寫信號控制線,。CC2500的狀態(tài)寄存器里指示一些系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息。
2.3電源模塊
RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)一般主要布置在樓宇,、倉儲建筑物等的內(nèi)部,，有些具有移動性，所以節(jié)點大多數(shù)需要采用電池供電,，在元器件的選取中,，盡量選擇低功耗器件以降低系統(tǒng)功耗，2.4~3.6V的電壓可以使系統(tǒng)中所有的器件和模塊正常工作,。因此,，實際中采用與之電壓匹配的高能紐扣鋰電池作為供電電源。
2.4電磁兼容與抗干擾設(shè)計
在設(shè)計2.45GHz的RFID系統(tǒng)時要考慮電磁兼容性（EMC）,，以保證讀寫器和標(biāo)簽在設(shè)定的電磁環(huán)境和規(guī)定的安全界限內(nèi)運行,。在系統(tǒng)設(shè)計中，元件的選擇和電路設(shè)計是影響電磁兼容的重要因素,，對于射頻通信模塊需要去耦電容來去除元件狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的噪聲電壓,，并且要注意信號源和信號終端的阻抗匹配。PCB上的導(dǎo)線同樣具有阻抗,、電感,、電容特性，因此在PCB布局和布線也考慮了電磁兼容性等問題,。布局是按照信號流程放置元件,，盡量縮短元件之間的連接，CC2500底部通過多個過孔與地層連接,。濾波電容盡量靠近器件放置,，同時，為了抗電磁干擾,，把數(shù)字電源和模擬電源,、數(shù)字地和模擬地隔離開來。RFID定位系統(tǒng)節(jié)點的布設(shè)位置應(yīng)盡量避開高大障礙物,，以減少對電磁波的阻隔,，影響傳輸性能。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1定位算法的選擇
本RFID定位系統(tǒng)采用LANDMARC定位原理。LANDMARC定位算法適用于有源RFID室內(nèi)定位,。它將具有固定位置信息的標(biāo)簽作為定位系統(tǒng)中的坐標(biāo)參考點,，通過參考點標(biāo)簽與移動讀寫器之間的通信，獲取兩者之間的無線射頻信號強度值RSSI,，繼而獲取讀寫器與多個參考標(biāo)簽之間的RSSI值,，根據(jù)RSSI與通信距離之間的對應(yīng)關(guān)系，獲取讀寫器與多個參考標(biāo)簽之間的距離關(guān)系,。LANDMARC算法可以通過比較讀寫器與參考標(biāo)簽之間RSSI值的大小來獲得離讀寫器距離最近的幾個參考標(biāo)簽,，然后根據(jù)這幾個最鄰近參考標(biāo)簽的坐標(biāo)，并結(jié)合它們的權(quán)重,，可計算出讀寫器的坐標(biāo),。
3.2RFID定位算法
無線信號的接收信號強度和信號傳輸距離的關(guān)系可以用式（1）來表示，其中RSSI是接收信號強度,，d是收發(fā)節(jié)點之間的距離,，n是信號傳播因子。
由式（1）中可以看出,，常數(shù)A和n的值決定了接收信號強度和信號傳輸距離的關(guān)系,。射頻參數(shù)A和n用于描述網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境。射頻參數(shù)A被定義為用dBm表示的距發(fā)射器1m時接收到信號平均能量的絕對值,。如平均接收能量為-40dBm,，那么參數(shù)A被定為40。射頻參數(shù)n指出了信號能量隨著距收發(fā)器距離增加而衰減的速率,，其數(shù)值的大小取決于無線信號傳播的環(huán)境,。
RSSI值受周圍環(huán)境的影響較大，具有時變特性,，有時會偏離式（1）的描述,，根據(jù)接收信號強度估計出的距離d就會有較大誤差。通過大量數(shù)據(jù)分析,，采用了-個噪聲模型,，即環(huán)境衰減因素模型，可有效補償環(huán)境影響帶來的誤差,，如式（2）所示,。
上式中EAF（dBm）為環(huán)境影響因素,，它的值取決于室內(nèi)環(huán)境,，是靠大量的數(shù)據(jù)累積的經(jīng)驗值。EAF（dBm）是一個隨機(jī)變量,，但為了增強實用性,，將其固定為-個值。通過大量比較實驗環(huán)境下測得的RSSI值與理想狀態(tài)下的RSSI值，得到試驗環(huán)境EAF（dBm）大概為11dBm,，A取值45,，n取值3.5。
在采集到RSSI值后,，依據(jù)式（2）就可以得到讀寫器到標(biāo)簽的距離,，通過LANDMARC三邊測量定位算法就可以定位出讀寫器的位置。如圖5所示,。
圖5三邊測量定位示意圖
假設(shè)標(biāo)簽1的坐標(biāo)為p1（x1,，y1），標(biāo)簽2的坐標(biāo)為p2（x2,，y2）,，標(biāo)簽3的坐標(biāo)為p3（x3，y3）,，讀寫器坐標(biāo)為p（x,，y）。則讀寫器坐標(biāo)計算公式為：
由式（2）可以計算出讀寫器的坐標(biāo)位置為：
3.3RFID定位系統(tǒng)的工作流程
定位算法以MPLABIDE7.4為開發(fā)平臺,，采用C語言編寫,，經(jīng)過編譯、連接后生成機(jī)器代碼,，下載到讀寫器程序存儲器中,。RFID定位系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。
圖6定位系統(tǒng)流程圖
4結(jié)束語,。
筆者介紹了一種基于PIC16F877A和CC2500的有源RFID讀寫器和標(biāo)簽的硬件系統(tǒng)設(shè)計及室內(nèi)RFID定位方法,，對讀寫器和標(biāo)簽系統(tǒng)的各個模塊及運行于讀寫器中的定位算法及其工作流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該有源RFID定位系統(tǒng)在小規(guī)模的室內(nèi)實驗中表現(xiàn)出較好的定位精度,。