摘  要：隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加,，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求日益增大,。但是受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜環(huán)境等條件的限制,，比較完善的定位技術(shù)目前還無(wú)法很好地利用,，針對(duì)這些問(wèn)題，在分析了現(xiàn)有幾種典型的定位技術(shù)的特點(diǎn)和不足后,，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套有源RFID定位系統(tǒng),。該系統(tǒng)以RFID技術(shù)為核心，利用讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位,。分析表明,，該系統(tǒng)具有定位精度高，抗干擾能力強(qiáng),，定位范圍大等特點(diǎn),，適用于多標(biāo)簽情況。
關(guān)鍵詞： RFID,；定位系統(tǒng),； 讀寫(xiě)器； 標(biāo)簽

    定位系統(tǒng)是指在有限的區(qū)域內(nèi),，如企業(yè)內(nèi)部,、校園、港口,、倉(cāng)庫(kù)等，對(duì)財(cái)產(chǎn)和人員進(jìn)行定位和跟蹤,。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加,，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求日益增大，已成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)并成為21世紀(jì)最熱門的研究領(lǐng)域之一,。目前,，常用的定位技術(shù)包括紅外線、超聲波,、GPS,、Wi-Fi等，但這些技術(shù)存在定位范圍小,、抗干擾能力差,、定位精度低等缺陷。本文針對(duì)這些不足,，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了有源RFID定位系統(tǒng),，該系統(tǒng)很好地彌補(bǔ)了這些缺陷,，適用于更多的場(chǎng)合。
1 定位技術(shù)分析
    紅外線定位技術(shù)只適合于短距離傳播,，且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾,，所以該定位技術(shù)在定位范圍和定位精確上有很大的局限性。
    超聲波傳播定位技術(shù)雖然距離較遠(yuǎn),，但是受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響大,，因此該定位技術(shù)對(duì)環(huán)境要求苛刻，且不適用于室內(nèi)環(huán)境定位,。
    GPS定位技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的室外定位技術(shù),，它是20世紀(jì)70年代初美國(guó)用于軍事目的開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，主要利用幾顆衛(wèi)星的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算移動(dòng)用戶位置,，覆蓋范圍大,，但是定位信號(hào)到達(dá)地面時(shí)較弱，不能穿透建筑物,，因此該定位技術(shù)只適用于室外不適合室內(nèi)定位,。
    Wi-Fi定位技術(shù)應(yīng)用于小范圍的室內(nèi)或室外定位，成本較低,。但無(wú)論是用于室內(nèi)還是室外定位,，Wi-Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑在90 m以內(nèi)的區(qū)域，而且很容易受到其他信號(hào)的干擾,，從而影響其精度,，定位器的能耗也較高。
    在分析了現(xiàn)有技術(shù)不足之后,，在此基礎(chǔ)上提出了以RFID技術(shù)為核心的定位技術(shù),。RFID技術(shù)同現(xiàn)有定位技術(shù)相比,不但具有成本上的優(yōu)勢(shì)，而且RFID定位技術(shù)對(duì)環(huán)境的要求和受到環(huán)境的影響都很小,，且定位精度較高,，傳輸范圍大，同時(shí)還能從定位目標(biāo)中讀取有關(guān)該對(duì)象的大量信息,。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
　本文設(shè)計(jì)的有源RFID定位系統(tǒng)由閱讀器,、標(biāo)簽、通信網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)服務(wù)器四個(gè)部分構(gòu)成,，如圖1所示,。

   各個(gè)閱讀器內(nèi)部存儲(chǔ)了自身的位置信息，并能通過(guò)無(wú)線射頻的方式發(fā)送給進(jìn)入該區(qū)域的標(biāo)簽,。標(biāo)簽與閱讀器之間通過(guò)射頻通信可以測(cè)量出無(wú)線電傳輸?shù)膫尉?，并?jù)此計(jì)算出自身位置信息，然后上報(bào)至閱讀器。通信網(wǎng)絡(luò)則可以將閱讀器收到的信息傳輸至后臺(tái)服務(wù)器,，同時(shí)后臺(tái)服務(wù)器還可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)控制各個(gè)閱讀器,。
　系統(tǒng)安裝完成后，標(biāo)簽?zāi)軌蛲ㄟ^(guò)無(wú)線射頻方式完成自身位置的確定,，并且通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)上傳到后臺(tái)服務(wù)器上,。后臺(tái)服務(wù)器收集標(biāo)簽信息，并提供標(biāo)簽位置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),。
3 硬件結(jié)構(gòu)
   本系統(tǒng)的標(biāo)簽和閱讀器具有相同的硬件結(jié)構(gòu),，系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為以下部分：主控制器、無(wú)線射頻收發(fā)及測(cè)距模塊,、天線,、供電系統(tǒng)。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示,。

   為適應(yīng)高速數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信的需要,系統(tǒng)以Atmel公司的Atmega64為主控芯片,。ATmega64單片機(jī)采用Harbard結(jié)構(gòu)，具有單周期的RISC指令系統(tǒng),，內(nèi)部具有硬件乘法電路,，數(shù)據(jù)處理速度快；I/O端口可直接驅(qū)動(dòng)較大電流負(fù)載,；具有讀寫(xiě)及地址鎖存允許控制引腳,，便于擴(kuò)展和使用外部接口和外部存儲(chǔ)空間；支持在線編程(ISP)及在線應(yīng)用編程(IAP),，方便現(xiàn)場(chǎng)修改和調(diào)試程序,；具有支持主/從機(jī)模式的SPI串行通信接口，可以方便連接主/從機(jī)模式的串行通信單元,。為了滿足通信和數(shù)據(jù)高速處理的需要,，本系統(tǒng)采用16 MHz晶振。
　無(wú)線射頻收發(fā)及測(cè)距模塊采用Nanotron公司的NanoPAN模塊,。該模塊采用寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)技術(shù),并為IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)所采用,。收發(fā)器為一款2.4 GHz ISM頻段無(wú)線裝置,可靈活地提供31.25 Kb/s～2 Mb/s范圍的數(shù)據(jù)傳輸率,其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距精度在1～2 m之內(nèi)，可同時(shí)提供具有極佳傳輸范圍的可靠數(shù)據(jù)通信,。通過(guò)采用一個(gè)MAC控制器,，可降低對(duì)微處理器和軟件的要求,，輕松地完成高級(jí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。
　 天線部分采用直接匹配天線的設(shè)計(jì)。由于空間限制,，無(wú)線收發(fā)模塊與天線之間通過(guò)導(dǎo)線直接連接,，設(shè)計(jì)中采用鐵氧體屏蔽和電磁屏蔽。鐵氧體屏蔽用于減少金屬對(duì)天線的影響,電磁屏蔽用于減少由天線線圈本身產(chǎn)生的磁場(chǎng),。為了在PCB 板上做一個(gè)屏蔽的天線,至少要做到4層板,最上層和最下層要有非封閉的屏蔽環(huán)路,。這樣的環(huán)路提供了電磁屏蔽, 改善了電磁兼容性,。
    由于讀寫(xiě)器和標(biāo)簽要向空間發(fā)射無(wú)線信號(hào)，需要消耗較多的電能,，所以該系統(tǒng)采用自帶電源,，并根據(jù)實(shí)際功耗選擇適當(dāng)容量的電池系統(tǒng)，使整體系統(tǒng)的使用不受影響,。
4 軟件結(jié)構(gòu)
    標(biāo)簽與讀寫(xiě)器具有相同的軟件結(jié)構(gòu),如圖3所示,。該系統(tǒng)采用Atmel公司的AVR Studio作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，平臺(tái)采用C語(yǔ)言編程,。在軟件系統(tǒng)中,，標(biāo)簽首先發(fā)送要求接入廣播包的請(qǐng)求，等待讀寫(xiě)器的響應(yīng),，當(dāng)收到3個(gè)以上(包含3個(gè))讀寫(xiě)器響應(yīng)后,，標(biāo)簽開(kāi)始對(duì)收到的讀寫(xiě)器進(jìn)行測(cè)距，完成測(cè)距后根據(jù)讀寫(xiě)器位置信息計(jì)算出自己的位置坐標(biāo)并通過(guò)廣播上傳至讀寫(xiě)器,，開(kāi)始新一輪測(cè)距,。其程序流程圖如圖4所示。

5 測(cè)試結(jié)果
    在系統(tǒng)測(cè)試中,，將該定位系統(tǒng)應(yīng)用于學(xué)校實(shí)驗(yàn)樓中的人員定位,，通過(guò)3個(gè)固定的讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)定位并在PC上進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。如圖5所示,，其中實(shí)心點(diǎn)為讀寫(xiě)器所在位置,，空心點(diǎn)為標(biāo)簽。最后通過(guò)多次實(shí)際測(cè)試得到圖6的統(tǒng)計(jì)曲線圖,，該系統(tǒng)在距離大于4 m的范圍內(nèi)具有較高的定位精度,。

    本文介紹了有源RFID定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。提供了硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,，闡述了系統(tǒng)的定位方法以及軟件工作流程,。根據(jù)本方案實(shí)現(xiàn)的有源RFID定位系統(tǒng)具有定位精度高，抗干擾能力強(qiáng),，定位范圍大等優(yōu)點(diǎn),。
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