有源RFID定位系統設計

　定位系統是指在有限的區域內，如企業(yè)內部、校園、港口、倉庫等，對財產(chǎn)和人員進(jìn)行定位和跟蹤。隨著(zhù)數據業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，已成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)并成為21世紀最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一。目前，常用的定位技術(shù)包括紅外線(xiàn)、超聲波、GPS、Wi－Pi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。本文針對這些不足，設計并實(shí)現了有源REID定位系統，該系統很好駟彌補了這些缺陷，適用于更多的場(chǎng)合。

　　1、定位技術(shù)分析

　　紅外線(xiàn)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，但是受多徑效應和非視距傳播影響大，因此該定位技術(shù)對環(huán)境要求苛刻，且不適用于室內環(huán)境定位。

　　GPS定位技術(shù)是目前應用最為廣泛的室外定位技術(shù)，它是⒛世紀70年代初美國用于軍事目的開(kāi)發(fā)的衛星導航定位系統，主要利用幾顆衛星的測量數據計算移動(dòng)用戶(hù)位置，覆蓋范圍大，但是定位信號到達地面時(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定位。

　　Wi－Pi定位技術(shù)應用于小范圍的室內或室外定位，成本較低。但無(wú)論是用于室內還是室外定位，Wi － Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑在90 m以?xún)鹊膮^域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。

　　在分析了現有技術(shù)不足之后，在此基礎上提出了以RFID技術(shù)為核心的定位技術(shù)。REID技術(shù)同現有定位技術(shù)相比，不但具有成本上的優(yōu)勢，而且 REID定位技術(shù)對環(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)還能從定位目標中讀取有關(guān)該對象的大量信息。

　　2、系統構成

　　本文設計的有源REID定位系統由閱讀器、標簽、通信網(wǎng)絡(luò )和后臺服務(wù)器四個(gè)部分構成，如圖1所示。

圖1系統構成

　　各個(gè)閱讀器內部存儲了自身的位置信息，并能通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻的方式發(fā)送給進(jìn)人該區域的標簽。標簽與閱讀器之間通過(guò)射頻通信可以測量出無(wú)線(xiàn)電傳輸的偽距，并據此計算出自身位置信息，然后上報至閱讀器。通信網(wǎng)絡(luò )則可以將閱讀器收到的信息傳輸至后臺服務(wù)器，同時(shí)后臺服務(wù)器還可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò )控制各個(gè)閱讀器。

　　系統安裝完成后，標簽能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻方式完成自身位置的確定，并且通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )上傳到后臺服務(wù)器上。后臺服務(wù)器收集標簽信息，并提供標簽位置的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。
3、硬件結構

　　本系統的標簽和閱讀器具有相同的硬件結構，系統設計分為以下部分：主控制器、無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)及測距模塊、天線(xiàn)、供電系統。系統原理框圖如圖2所示。

圖2系統原理圖

　　為適應高速數據處理和網(wǎng)絡(luò )通信的需要，系統以Atmel公司的Atmega64為主控芯片。ATmega64單片機采用Harbard結構，具有單周期的RISC指令系統，內部具有硬件乘法電路，數據處理速度快；I／0端口可直接驅動(dòng)較大電流負載；具有讀寫(xiě)及地址鎖存允許控制引腳，便于擴展和使用外部接口和外部存儲空間；支持在線(xiàn)編程（ISP）及在線(xiàn)應用編程（IAP），方便現場(chǎng)修改和調試程序；具有支持主／從機模式的SPI串行通信接口，可以方便連接主／從機模式的串行通信單元。為了滿(mǎn)足通信和數據高速處理的需要，本系統采用16 MHz晶振。

　　無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)及測距模塊采用Nanotron公司的NanoPAN模塊。該模塊采用寬帶線(xiàn)性調頻擴頻（CSS）技術(shù)，并為IEEE 802．15．4a標準所采用。收發(fā)器為一款2．4 GHzISM頻段無(wú)線(xiàn)裝置，可靈活地提供31 25 Kb／s～2 Mb／s范圍的數據傳輸率，其點(diǎn)對點(diǎn)測距精度在1～2 m之內，可同時(shí)提供具有極佳傳輸范圍的可靠數據通信。通過(guò)采用一個(gè)MAC控制器，可降低對微處理器和軟件的要求，輕松地完成高級別系統的設計。

　　天線(xiàn)部分采用直接匹配天線(xiàn)的設計。由于空間限制，無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊與天線(xiàn)之間通過(guò)導線(xiàn)直接連接，設計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天線(xiàn)的影響，電磁屏蔽用于減少由天線(xiàn)線(xiàn)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(xiàn)，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)器和標簽要向空間發(fā)射無(wú)線(xiàn)信號，需要消耗較多的電能，所以該系統采用自帶電源，并根據實(shí)際功耗選擇適當容量的電池系統，使整體系統的使用不受影響。

　　4、軟件結構

　　標簽與讀寫(xiě)器具有相同的軟件結構，如圖3所示。該系統采用Atmel公司的AVR Studio作為開(kāi)發(fā)平臺，平臺采用C語(yǔ)言編程。在軟件系統中，標簽首先發(fā)送要求接人廣播包的請求，等待讀寫(xiě)器的響應，當收到3個(gè)以上（包含3個(gè)）讀寫(xiě)器響應后，標簽開(kāi)始對收到的讀寫(xiě)器進(jìn)行測距，完成測距后根據讀寫(xiě)器位置信息計算出自己的位置坐標并通過(guò)廣播上傳至讀寫(xiě)器，開(kāi)始新一輪測距。其程序流程圖如圖 4所示。

圖3 標簽、讀寫(xiě)器軟件結構

圖4程序流程

　　5、測試結果

　　在系統測試中，將該定位系統應用于學(xué)校實(shí)驗樓中的人員定位，通過(guò)3個(gè)固定的讀寫(xiě)器對標簽進(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)為標簽。最后通過(guò)多次實(shí)際測試得到圖6的統計曲線(xiàn)圖，該系統在距離大于4 m的范圍內具有較高的定位精度。

圖5 人員定位

圖6統計曲線(xiàn)

　　本文介紹了有源REID定位系統的設計與實(shí)現。提供了硬件平臺結構設計方案，闡述了系統的定位方法以及軟件工作流程。根據本方案實(shí)現的有源RFID定位系統具有定位精度高，抗干擾能力強，定位范圍大等優(yōu)點(diǎn)。