基于RFID技術(shù)的無(wú)線(xiàn)定位系統

摘要：RFID是一種非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，它的應用非常廣泛。SpotON系統、LANDMARC系統都是基于RFID的無(wú)線(xiàn)定位系統。文章介紹了RFID用于室內定位的4種不同的定位模式，同時(shí)介紹了采用RFID技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化對WLAN基礎設施進(jìn)行管理的思科無(wú)線(xiàn)定位解決方案。該解決方案可從WLAN基礎設施內部跟蹤數千個(gè)無(wú)線(xiàn)設備，從而簡(jiǎn)化WLAN管理，有效提高網(wǎng)絡(luò )擴展性。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)射頻識別；定位技術(shù)；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言
RFID(Radio Frequency Identification)即無(wú)線(xiàn)射頻識別，又稱(chēng)電子標簽。RFID是一種通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)電信號識別特定目標并讀寫(xiě)相關(guān)數據，而無(wú)需識別系統與特定目標之間建立機械或光學(xué)接觸。因此，RFID是一種非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，可以快速讀寫(xiě)、長(cháng)期跟蹤管理，因而在智能識別領(lǐng)域有著(zhù)非常好的發(fā)展前景。同時(shí)，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國的快速發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)支撐技術(shù)的RFID技術(shù)被認為是21世紀最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一。未來(lái)幾年中，將有更多的產(chǎn)品中會(huì )被植人RFID標簽，RFID技術(shù)的應用將會(huì )是相當的廣泛。
定位服務(wù)是非常受到人們青睞和重視的一項技術(shù)。目前，人們比較熟知的定位服務(wù)是GPS(全球定位系統)，而越來(lái)越多的其它無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)也開(kāi)始進(jìn)入定位服務(wù)這一領(lǐng)域，例如GSM手機定位、Wi-Fi定位、RFID定位、ZigBee定位、藍牙定位等。而RFID技術(shù)的廣泛使用，使得在室內定位上，RFID定位已經(jīng)具有很大的優(yōu)勢。

1 SpotON系統
第一個(gè)使用RFID技術(shù)作為室內定位系統的是SpotON，在這個(gè)定位系統中，SpotON以聚集演算法計算收集到的信號強度。在SpotON方法中，未知物體的定位并沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統中央集中管理的過(guò)程，而是由其它的硬件規格相同的感知點(diǎn)以分散式計算的方式來(lái)完成的。這些分散在感知環(huán)境中的感知點(diǎn)會(huì )將其收到的信號強度資料收集起來(lái)并反饋，最后以定位演算法計算出未知物體的預測位置。
在SpotON系統中的定位方法，就是利用RFID讀取器和許多感應標簽，構建一個(gè)有一定范圍的室內無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，相對于環(huán)境底下的許多感應標簽，分別針對環(huán)境中的某一個(gè)未知坐標的追蹤物件，做相對信號強度的計算。這個(gè)計算可由RFID讀取器端收到的未知坐標物與感應標簽之間相對的信號強度資料，透過(guò)中間軟件系統加以分析，最終通過(guò)分析資料推算出該未知追蹤目標的位置。同時(shí)，在收集信號強度的過(guò)程中，該定位方法還引入了信號衰退模型來(lái)估算信號強度，所以期待所收集的信號強度數據能夠更加精確。

2 LANDMARC系統
LANDMARC是利用RFID技術(shù)進(jìn)行定位的一個(gè)效果不錯的系統，與SpotON相比，LANDMARC系統在硬件環(huán)境上使用了有較大讀取范圍和回應能力的主動(dòng)式感應標簽作為實(shí)際過(guò)程中的標簽硬件規格。另外，在算法上，采用LANDMARC方法，能修正傳統定位上的一些盲點(diǎn)。由于實(shí)際針對各種定位系統的情況進(jìn)行了不同的研究，因此，LANDMARC方法所計算出來(lái)的定位數據的可靠性大大增強了。
LANDMARC系統在實(shí)際使用中，提出了一種整體的定位演算法，這種定位演算法除了使利用RFID設備用于定位上的準確率更高之外，在產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與牛產(chǎn)成本的降低上，對于室內定位的應用而言，該系統也具有更大的價(jià)值與商機。

3 RFID技術(shù)的4種定位模式
雖然RFID技術(shù)可應用于室內的定位，但由于室內環(huán)境擺設復雜、精密度要求高，所以，室內定位系統在實(shí)際使用過(guò)程中非常困難，包含信號強度收集、資料庫建立、定位演算法、如何正確取得來(lái)自各個(gè)RFID讀取器的信號資料、RFID讀取器與RFID標簽應該如何擺設以提高系統定位的正確性、如何經(jīng)由估算的方式來(lái)降低定位系統的建立成本，以及收到相關(guān)信號資料后如何轉換為位置咨詢(xún)等。
目前，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下進(jìn)行定位服務(wù)的定位模式有信號強度法、收信角度法、收信時(shí)間、收信時(shí)間差等4種。
3．1 信號強度法定位技術(shù)
信號強度法(Received Signal Strength，RSS)就是利用通道傳播模型去描述路徑損耗對于距離的衰減情況。如果利用這個(gè)信息進(jìn)行定位，那就必須事先構建該環(huán)境的傳播損失模型，只有這樣，才能通過(guò)信號強度的衰減來(lái)判斷移動(dòng)物與固定物之間的距離。移動(dòng)物位置應該位于以固定物為圓心，以預估距離為半徑的圓上，所以，必須至少要有3個(gè)固定物，方能進(jìn)行定位。由于無(wú)線(xiàn)電在室內傳播會(huì )呈現出多重路徑干擾衰減以及屏蔽效應，這些因素會(huì )造成接收信號強度與自由真空中傳播結果的很大差異，從而使預估的傳播距離產(chǎn)牛誤差，這樣的話(huà)，移動(dòng)物的預估位置就不會(huì )與前面的計算交于一點(diǎn)，而會(huì )落在一個(gè)預估區域內。
3．2 收信角度法定位技術(shù)
收信角度法(Angle of Arrival，AOA)定位系統的工作原理是利用具有方向性的天線(xiàn)或天線(xiàn)陣列來(lái)判斷主動(dòng)式標簽信號可能的來(lái)源方向。這個(gè)方向在2D平面上可決定出一條以RFID讀取器為起點(diǎn)的直線(xiàn)，用兩個(gè)以上的RFID讀取器測量出這個(gè)主動(dòng)式標簽的方向，兩條以上的直線(xiàn)的交點(diǎn)就是主動(dòng)式標簽的可能位置。
AOA定位技術(shù)目前并非是多數讀取器定位系統的主流技術(shù)，但將來(lái)如果增加讀取器智慧型天線(xiàn)設備，并且提高系統的角度解析度，而且，AOA可以在不增加讀取器設備的情況下與主動(dòng)式標簽結合，則AOA有可能成為主流的定位技術(shù)。
3．3 收信時(shí)間定位技術(shù)
收信時(shí)間(Time of Arrival，TOA)定位技術(shù)采用幾何原理，這與信號強度法的幾何原理是相同的，唯一不同點(diǎn)是決定圓的半徑的參數不是信號強度，而是信號的傳播時(shí)間。由主動(dòng)式標簽發(fā)射到讀取器的信號傳播時(shí)間可知，將信號傳播時(shí)間乘以傳播速度，就可以得到主動(dòng)式標簽到讀取器之間的距離。TOA定位可以適用各個(gè)距離的定位，它不像AOA定位精確度會(huì )隨著(zhù)主動(dòng)式標簽與讀取器的距離增加而降低，但因為信號的傳播速度非?？?，所以，TOA對于時(shí)間的敏感度很高，必須十分準確地測量信號實(shí)際的傳播時(shí)間。即使是很細微的時(shí)間誤差，也會(huì )導致真實(shí)距離的誤差，而且誤差可能會(huì )很大。
3．4 收信時(shí)間差定位技術(shù)
收信時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位技術(shù)采用測量信號從基站傳播到使用者的時(shí)間差以雙曲線(xiàn)定位的原理來(lái)進(jìn)行定位。
該方法使用移動(dòng)終端對基站進(jìn)行監聽(tīng)并測量出信號到達兩個(gè)基站的時(shí)間差，每?jì)蓚€(gè)基站得到一個(gè)測量值，從而形成一個(gè)雙曲線(xiàn)定位區。這樣，三個(gè)基站就會(huì )得到兩個(gè)雙曲線(xiàn)定位區，通過(guò)求解它們的交界點(diǎn)并加上附加條件，就可以得到移動(dòng)終端的確切位置。TDOA是對TOA的改進(jìn)，它不是直接利用信號到達時(shí)間，并不需要精確的時(shí)間同步，因此，定位精度會(huì )有所提升。
TDOA的公式是通過(guò)測量移動(dòng)終端信號分別到多個(gè)基站的時(shí)間差的關(guān)系，然后通過(guò)矩陣運算出移動(dòng)終端的空間坐標X和Y。其方法如下：


4 思科的RFID解決方案
思科(Cisco)的RFID無(wú)線(xiàn)定位解決方案能夠將智慧拓展到網(wǎng)絡(luò )的邊緣。思科硬件增加了RFID中間件功能，該軟件能夠裝入從邊緣交換機到數據中心路由器等多種設備。軟件可以收集和過(guò)濾在邊緣讀取到的RFID信息，并在數據中心過(guò)濾數據，然后關(guān)聯(lián)數據并建立連接后端應用的橋梁。思科無(wú)線(xiàn)定位解決方案是利用Cisco申請專(zhuān)利中的RF指紋技術(shù)，直接從WLAN基礎設施內部跟蹤數千個(gè)無(wú)線(xiàn)設備，從而簡(jiǎn)化WLAN管理，有效提高網(wǎng)絡(luò )的擴展性，并最終改善解決問(wèn)題的能力，降低運營(yíng)成本。

5 結語(yǔ)
隨著(zhù)RFID技術(shù)的不斷發(fā)展以及RFID技術(shù)的廣泛使用，今后一定會(huì )有更多的基于RFID的定位實(shí)際應用方案出現，RFID在定位上的應用也會(huì )越來(lái)越多。特別是在短距離的室內定位方面，和其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比，RFID無(wú)線(xiàn)定位解決方案在定位方面具有很大的優(yōu)勢。