有源RFID定位系统设计与实现

      摘要：随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大。但是受定位时间、定位精度以及复杂环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用，针对这些问题，在分析了现有几种典型的定位技术的特点和不足后，设计并实现了一套有源REID定位系统。该系统以REID技术为核心，利用读写器对标签进行定位。分析表明，该系统具有定位精度高，抗干扎能力强，定位范围大等特点，适用于多标签情况。

　　定位系统是指在有限的区域内，如企业内部、校园、港口、仓库等，对财产和人员进行定位和跟踪。随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，已成为一个新兴产业并成为21世纪最热门的研究领域之一。目前，常用的定位技术包括红外线、超声波、GPS、Wi－Pi等，但这些技术存在定位范围小、抗干扰能力差、定位精度低等缺陷。本文针对这些不足，设计并实现了有源REID定位系统，该系统很好驷弥补了这些缺陷，适用于更多的场合。

　　1、定位技术分析

　　红外线定位技术只适合于短距离传播，且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，所以该定位技术在定位范围和定位精确上有很大的局限性。

　　超声波传播定位技术虽然距离较远，但是受多径效应和非视距传播影响大，因此该定位技术对环境要求苛刻，且不适用于室内环境定位。

　　GPS定位技术是目前应用最为广泛的室外定位技术，它是⒛世纪70年代初美国用于军事目的开发的卫星导航定位系统，主要利用几颗卫星的测量数据计算移动用户位置，覆盖范围大，但是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，因此该定位技术只适用于室外不适合室内定位。

　　Wi－Pi定位技术应用于小范围的室内或室外定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，Wi － Fi收发器都只能覆盖半径在90 m以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。

　　在分析了现有技术不足之后，在此基础上提出了以RFID技术为核心的定位技术。REID技术同现有定位技术相比，不但具有成本上的优势，而且REID定位技术对环境的要求和受到环境的影响都很小，且定位精度较高，传输范围大，同时还能从定位目标中读取有关该对象的大量信息。

　　2、系统构成

　　本文设计的有源REID定位系统由阅读器、标签、通信网络和后台服务器四个部分构成，如图1所示。

图1系统构成

　　各个阅读器内部存储了自身的位置信息，并能通过无线射频的方式发送给进人该区域的标签。标签与阅读器之间通过射频通信可以测量出无线电传输的伪距，并据此计算出自身位置信息，然后上报至阅读器。通信网络则可以将阅读器收到的信息传输至后台服务器，同时后台服务器还可以通过该网络控制各个阅读器。

　　系统安装完成后，标签能够通过无线射频方式完成自身位置的确定，并且通过通信网络上传到后台服务器上。后台服务器收集标签信息，并提供标签位置的网络服务。

　　3、硬件结构

　　本系统的标签和阅读器具有相同的硬件结构，系统设计分为以下部分：主控制器、无线射频收发及测距模块、天线、供电系统。系统原理框图如图2所示。

图2系统原理图

　　为适应高速数据处理和网络通信的需要，系统以Atmel公司的Atmega64为主控芯片。ATmega64单片机采用Harbard结构，具有单周期的RISC指令系统，内部具有硬件乘法电路，数据处理速度快；I／0端口可直接驱动较大电流负载；具有读写及地址锁存允许控制引脚，便于扩展和使用外部接口和外部存储空间；支持在线编程（ISP）及在线应用编程（IAP），方便现场修改和调试程序；具有支持主／从机模式的SPI串行通信接口，可以方便连接主／从机模式的串行通信单元。为了满足通信和数据高速处理的需要，本系统采用16 MHz晶振。

　　无线射频收发及测距模块采用Nanotron公司的NanoPAN模块。该模块采用宽带线性调频扩频（CSS）技术，并为IEEE 802．15．4a标准所采用。收发器为一款2．4 GHzISM频段无线装置，可灵活地提供31 25 Kb／s～2 Mb／s范围的数据传输率，其点对点测距精度在1～2 m之内，可同时提供具有极佳传输范围的可靠数据通信。通过采用一个MAC控制器，可降低对微处理器和软件的要求，轻松地完成高级别系统的设计。

　　天线部分采用直接匹配天线的设计。由于空间限制，无线收发模块与天线之间通过导线直接连接，设计中采用铁氧体屏蔽和电磁屏蔽。铁氧体屏蔽用于减少金属对天线的影响，电磁屏蔽用于减少由天线线圈本身产生的磁场。为了在PCB板上做一个屏蔽的天线，至少要做到4层板，最上层和最下层要有非封闭的屏蔽环路。这样的环路提供了电磁屏蔽，改善了电磁兼容性。

　　由于读写器和标签要向空间发射无线信号，需要消耗较多的电能，所以该系统采用自带电源，并根据实际功耗选择适当容量的电池系统，使整体系统的使用不受影响。

　　4、软件结构

　　标签与读写器具有相同的软件结构，如图3所示。该系统采用Atmel公司的AVR Studio作为开发平台，平台采用C语言编程。在软件系统中，标签首先发送要求接人广播包的请求，等待读写器的响应，当收到3个以上（包含3个）读写器响应后，标签开始对收到的读写器进行测距，完成测距后根据读写器位置信息计算出自己的位置坐标并通过广播上传至读写器，开始新一轮测距。其程序流程图如图4所示。

图3 标签、读写器软件结构

图4程序流程

　　5、测试结果

　　在系统测试中，将该定位系统应用于学校实验楼中的人员定位，通过3个固定的读写器对标签进行实时定位并在PC上进行实时动态显示。如图5所示，其中实心点为读写器所在位置，空心点为标签。最后通过多次实际测试得到图6的统计曲线图，该系统在距离大于4 m的范围内具有较高的定位精度。

图5 人员定位

图6统计曲线

　　本文介绍了有源REID定位系统的设计与实现。提供了硬件平台结构设计方案，阐述了系统的定位方法以及软件工作流程。根据本方案实现的有源RFID定位系统具有定位精度高，抗干扰能力强，定位范围大等优点。