隨著移動(dòng)通信需求的日益增長,，允許訪問特定位置信息在普適計(jì)算及應(yīng)用方面表現(xiàn)出廣泛的重要性。在室外環(huán)境下，基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的全球定位系統(tǒng)（GPS）或者北斗星定位系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足一定的室外定位需求,。然而，這些技術(shù)并不能很好的運(yùn)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中,，必須采用一些替代技術(shù),。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，基于IEEE802.11無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）的技術(shù)提供了一個(gè)高性價(jià)比的解決方案,。實(shí)際應(yīng)用中也已經(jīng)提出了許多算法方案,，包括測量接收信噪比（SNR），以及使用更廣泛的接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）,。室內(nèi)定位問題必須要考慮室內(nèi)環(huán)境所表現(xiàn)出的傳輸信道特性,，由于墻壁和障礙物的影響，會(huì)帶來多徑衰弱,、吸收以及遮蔽等一系列問題,。因此，基于幾何角的測量技術(shù),，比如到達(dá)角（AOA）,、到達(dá)相位（POA）、到達(dá)時(shí)間（TOA）或者到達(dá)時(shí)間差（TDOA）不能很好的應(yīng)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中,。近幾年,，隨著射頻識(shí)別技術(shù)（Radio FrequentlyIdentification，RFID）的不段完善和推廣,，并且憑借其重量輕,、功耗低和識(shí)別能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢，逐步運(yùn)用在各種場合中,，如身份標(biāo)識(shí),、工程控制和定位追蹤等領(lǐng)域。本文的研究重點(diǎn)是將研究Wi-Fi無線傳輸技術(shù)與RFID識(shí)別技術(shù)相結(jié)合,，通過RFID標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)Wi-Fi系統(tǒng)定位的解決方案,。據(jù)初步檢索，國內(nèi)對(duì)基于Wi-Fi的RFID定位技術(shù)研究工作尚不多見,，本文的工作是將對(duì)基于Wi-Fi的RFID定位系統(tǒng)的定位方案進(jìn)行探討,。

1 定位系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是20世紀(jì)90年代起新興的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它主要通過標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的唯一ID號(hào)識(shí)別標(biāo)志物。與傳感器技術(shù)類似,，RFID技術(shù)被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)（The Internetof Things）一項(xiàng)支撐技術(shù),。某些人認(rèn)為，前者只是識(shí)別,，沒有處理的能力,，而后者可以對(duì)感知到的物品進(jìn)行處理。和傳統(tǒng)的磁卡,、IC卡相比,，射頻卡最大的優(yōu)點(diǎn)就在于非接觸，因此,，識(shí)別工作無須人工干預(yù),，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽,，操作快捷方便,。

RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個(gè)基本器件,，該系統(tǒng)用于控制,、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個(gè)閱讀器和多個(gè)標(biāo)簽組成,。

RFID技術(shù)利用無線射頻方式在閱讀器和標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸雙向傳輸數(shù)據(jù),，已達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：電子標(biāo)簽（Tag）,、讀寫器（Reader）和在標(biāo)簽與讀卡器間傳遞射頻信號(hào)的微型天線（Antenna）,。

我們下面將要研究的定位測試平臺(tái)主要由多個(gè)支持RFID讀寫器功能的Wi-Fi接入點(diǎn)和內(nèi)置有RFID標(biāo)簽的Wi-Fi終端組成，圖1所示為定位系統(tǒng)的硬件框圖設(shè)計(jì),。



圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 定位方案

基于Wi-Fi的RFID定位方案我們將考慮采用以下兩種解決方案：（1）基于信號(hào)強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間差復(fù)合定位方案,；（2）基于位置距離和角度的定位方案。

2.1 基于信號(hào)強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間差復(fù)合定位方案

對(duì)室內(nèi)Wi-Fi終端進(jìn)行定位前,，首先根據(jù)室內(nèi)實(shí)際情況規(guī)劃出室內(nèi)的終端分布圖,，存入信息處理數(shù)據(jù)庫；然后根據(jù)室內(nèi)分布情況設(shè)置AP接入點(diǎn),，同時(shí)我們需要設(shè)置一個(gè)位置固定的參考標(biāo)簽,，作為測量基準(zhǔn)點(diǎn)來幫助進(jìn)行位置校準(zhǔn)，設(shè)置的接入點(diǎn)數(shù)量根據(jù)具體的室內(nèi)情況而定,。

當(dāng)Wi-Fi終端進(jìn)入室內(nèi)后,，AP接入點(diǎn)內(nèi)的RFID讀寫器被喚醒，再由讀寫器發(fā)出一個(gè)無線喚醒信號(hào),，喚醒Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標(biāo)簽,。標(biāo)簽接收到喚醒信號(hào)后,，從休眠模式中喚醒，然后比較自身ID號(hào)與接收信號(hào)中的ID號(hào)是否一致,，ID號(hào)不相符的標(biāo)簽再次進(jìn)入休眠模式,，而ID相符的標(biāo)簽則進(jìn)入接收模式，接收信號(hào)并定位解算出其位置數(shù)據(jù),，并將位置數(shù)據(jù)送到處理器進(jìn)行處理,。文獻(xiàn)中已經(jīng)研究了基于RFID的停車場無線定位方案，而我們提出了一種基于Wi-Fi的RFID定位方案,，通過多個(gè)Wi-Fi AP接入點(diǎn)內(nèi)的讀寫器分別讀取待定位Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標(biāo)簽,，將獲得的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最終得到RFID標(biāo)簽的位置信息,。如圖2給出了基于該定位算法的結(jié)構(gòu)化框圖,。



圖2 基于信號(hào)強(qiáng)度的定位算法框圖

基于信號(hào)強(qiáng)度的定位算法是用一個(gè)位置已知的參考標(biāo)簽與待定位Wi-Fi終端的標(biāo)簽接收同一個(gè)AP接入點(diǎn)的定位信號(hào),。參考標(biāo)簽所測得的位置與該點(diǎn)已知值進(jìn)行比較后,，獲得讀寫器的定位數(shù)據(jù)的校正值，然后及時(shí)將此校正值發(fā)送給待定位的標(biāo)簽,，修正標(biāo)簽所測得的實(shí)時(shí)位置信息S,，并將此信息上傳給讀寫器。在此過程中始終保持只有一個(gè)讀寫器工作,，其余的讀寫器處于休眠狀態(tài),，當(dāng)一個(gè)讀寫器完成位置信息采集后，再由其他讀寫器完成同樣的過程,，這種定位方式下至少需要進(jìn)行3次位置信息的采集,。假設(shè)信號(hào)強(qiáng)度公式與讀寫器和標(biāo)簽之間的距離有關(guān)，則簡單信號(hào)傳播模型可用式（1）表示：

P（r）=（P）-10alog（r/0r）（1）

式中,，P（r）為標(biāo)簽接收到的信號(hào)功率,；r為標(biāo)簽與讀寫器的距離；r0為相對(duì)于讀卡器的參考距離,； P（r）0為該參考點(diǎn)的信號(hào)功率,，參數(shù)a為路徑損耗隨著距離r的增加而增加的速率。需要指出的是,，通過該模型計(jì)算出的某個(gè)位置信號(hào)強(qiáng)度往往被估計(jì)得過高,，實(shí)用性不大，比較實(shí)用的信號(hào)強(qiáng)度模型在文獻(xiàn)中有比較詳細(xì)的介紹,。

采用到達(dá)時(shí)間差（TDOA）算法是通過測量不同讀卡器接收到同一標(biāo)簽的定位信號(hào)的時(shí)間差,，并由此計(jì)算出標(biāo)簽到不同讀寫器的距離差。標(biāo)簽到任何兩個(gè)讀寫器的距離差D為定值,，標(biāo)簽必定位于兩個(gè)讀寫器為焦點(diǎn)的雙曲線上,，當(dāng)同時(shí)有N個(gè)讀寫器參與測距時(shí)（N≥3）,，由多個(gè)雙曲線之間的交匯區(qū)域就是對(duì)標(biāo)簽位置的估計(jì)。TDOA只是測量各讀寫器接收到的同一標(biāo)簽定位信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差,，參加定位的各個(gè)讀寫器在時(shí)間上不要求嚴(yán)格同步,。假定測量第i個(gè)讀寫器和第j個(gè)讀寫器的到達(dá)時(shí)間分別為TAi和TAj ，那么信號(hào)到達(dá)第i個(gè)和第j個(gè)讀寫器的時(shí)間差就是TAji=TAi -TAj,，它們的距離差Rji=C*TAji ,，則標(biāo)簽坐標(biāo)與讀寫器坐標(biāo)存在如下關(guān)系： 



解上述方程組，利用基于信號(hào)強(qiáng)度定位算法算出的坐標(biāo)值及一些先驗(yàn)知識(shí)（如室內(nèi)半徑）從其兩個(gè)解中分辨出Wi-Fi終端的具體位置,。

2.2 基于位置距離和角度的定位方案

文獻(xiàn)中,，P.Munishwar等人提出了一種基于RFID的機(jī)器人定位方案，我們?cè)诖斯ぷ骰A(chǔ)上提出了一種可以運(yùn)用在Wi-Fi系統(tǒng)中的終端定位方案,。該方案與基于信號(hào)強(qiáng)度的定位方案的不同在于引入了方向角的計(jì)算,，通過距離和角度信息來實(shí)現(xiàn)Wi-Fi終端的定位。在Wi-Fi系統(tǒng)中需要設(shè)置了一個(gè)或多個(gè)傳感器,，用來跟蹤待定位終端的運(yùn)動(dòng),，這些傳感器可以通過串行接口進(jìn)行查詢，并返回自上次查詢之后終端的運(yùn)動(dòng)距離和角度信息,。

內(nèi)置在Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標(biāo)簽允許待定位終端確定它的絕對(duì)位置（x,，y），而位置的不確定性等于RFID讀寫器的最大標(biāo)簽感知半徑,。

系統(tǒng)定期運(yùn)行算法一次（比如50ms）,，來獲取和處理傳感器和RFID讀寫器的數(shù)據(jù)。

通過RFID技術(shù)定期的重新校準(zhǔn)終端位置和角度數(shù)據(jù),，每次定位算法運(yùn)行時(shí),，它讀取傳感器兩次查詢之后的距離和角度差值變化，并把變化值分別累加到已知的位置和角度上,，并且復(fù)位傳感器,。傳感器可以從標(biāo)簽兩次測量的坐標(biāo)（x1，y1）,、（x2,，y2）來判斷它的運(yùn)動(dòng)方向，即：



如果終端在一條直線上運(yùn)動(dòng),，那么△θRFID等于0,，最后根據(jù)終端的位置和角度信息，我們就可以對(duì)終端進(jìn)行定位,。圖3給出了該定位算法的結(jié)構(gòu)化圖示,。



圖3 基于終端位置和角度的定位算法框圖

3 結(jié)語

本文主要探討了基于Wi-Fi的RFID定位系統(tǒng)的定位解決方案，主要對(duì)基于信號(hào)強(qiáng)度的定位方案以及基于距離和方向角的定位方案,，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明：這兩種定位算法都可以達(dá)到精度為1米左右的定位誤差,，可以滿足室內(nèi)定位的精度需求,，并且鑒于RFID設(shè)備在軟硬件成本上的優(yōu)勢，RFID定位解決方案具有廣泛的實(shí)用潛力,。