基于RFID技術的無線定位系統(tǒng)

摘要：RFID是一種非接觸式自動識別技術，它的應用非常廣泛。SpotON系統(tǒng)、LANDMARC系統(tǒng)都是基于RFID的無線定位系統(tǒng)。文章介紹了RFID用于室內定位的4種不同的定位模式，同時介紹了采用RFID技術來簡化對WLAN基礎設施進行管理的思科無線定位解決方案。該解決方案可從WLAN基礎設施內部跟蹤數(shù)千個無線設備，從而簡化WLAN管理，有效提高網(wǎng)絡擴展性。
關鍵詞：無線射頻識別；定位技術；無線網(wǎng)絡；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言
RFID(Radio Frequency Identification)即無線射頻識別，又稱電子標簽。RFID是一種通信技術，可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。因此，RFID是一種非接觸式自動識別技術，可以快速讀寫、長期跟蹤管理，因而在智能識別領域有著非常好的發(fā)展前景。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術在我國的快速發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)支撐技術的RFID技術被認為是21世紀最有發(fā)展前途的信息技術之一。未來幾年中，將有更多的產(chǎn)品中會被植人RFID標簽，RFID技術的應用將會是相當?shù)膹V泛。
定位服務是非常受到人們青睞和重視的一項技術。目前，人們比較熟知的定位服務是GPS(全球定位系統(tǒng))，而越來越多的其它無線網(wǎng)絡技術也開始進入定位服務這一領域，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(tǒng)
第一個使用RFID技術作為室內定位系統(tǒng)的是SpotON，在這個定位系統(tǒng)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有經(jīng)過系統(tǒng)中央集中管理的過程，而是由其它的硬件規(guī)格相同的感知點以分散式計算的方式來完成的。這些分散在感知環(huán)境中的感知點會將其收到的信號強度資料收集起來并反饋，最后以定位演算法計算出未知物體的預測位置。
在SpotON系統(tǒng)中的定位方法，就是利用RFID讀取器和許多感應標簽，構建一個有一定范圍的室內無線傳感網(wǎng)絡環(huán)境，相對于環(huán)境底下的許多感應標簽，分別針對環(huán)境中的某一個未知坐標的追蹤物件，做相對信號強度的計算。這個計算可由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，透過中間軟件系統(tǒng)加以分析，最終通過分析資料推算出該未知追蹤目標的位置。同時，在收集信號強度的過程中，該定位方法還引入了信號衰退模型來估算信號強度，所以期待所收集的信號強度數(shù)據(jù)能夠更加精確。

2 LANDMARC系統(tǒng)
LANDMARC是利用RFID技術進行定位的一個效果不錯的系統(tǒng)，與SpotON相比，LANDMARC系統(tǒng)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式感應標簽作為實際過程中的標簽硬件規(guī)格。另外，在算法上，采用LANDMARC方法，能修正傳統(tǒng)定位上的一些盲點。由于實際針對各種定位系統(tǒng)的情況進行了不同的研究，因此，LANDMARC方法所計算出來的定位數(shù)據(jù)的可靠性大大增強了。
LANDMARC系統(tǒng)在實際使用中，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)技術的進步與牛產(chǎn)成本的降低上，對于室內定位的應用而言，該系統(tǒng)也具有更大的價值與商機。

3 RFID技術的4種定位模式
雖然RFID技術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(tǒng)在實際使用過程中非常困難，包含信號強度收集、資料庫建立、定位演算法、如何正確取得來自各個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(tǒng)定位的正確性、如何經(jīng)由估算的方式來降低定位系統(tǒng)的建立成本，以及收到相關信號資料后如何轉換為位置咨詢等。
目前，在無線網(wǎng)絡環(huán)境下進行定位服務的定位模式有信號強度法、收信角度法、收信時間、收信時間差等4種。
3．1 信號強度法定位技術
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。如果利用這個信息進行定位，那就必須事先構建該環(huán)境的傳播損失模型，只有這樣，才能通過信號強度的衰減來判斷移動物與固定物之間的距離。移動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個固定物，方能進行定位。由于無線電在室內傳播會呈現(xiàn)出多重路徑干擾衰減以及屏蔽效應，這些因素會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，移動物的預估位置就不會與前面的計算交于一點，而會落在一個預估區(qū)域內。
3．2 收信角度法定位技術
收信角度法(Angle of Arrival，AOA)定位系統(tǒng)的工作原理是利用具有方向性的天線或天線陣列來判斷主動式標簽信號可能的來源方向。這個方向在2D平面上可決定出一條以RFID讀取器為起點的直線，用兩個以上的RFID讀取器測量出這個主動式標簽的方向，兩條以上的直線的交點就是主動式標簽的可能位置。
AOA定位技術目前并非是多數(shù)讀取器定位系統(tǒng)的主流技術，但將來如果增加讀取器智慧型天線設備，并且提高系統(tǒng)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式標簽結合，則AOA有可能成為主流的定位技術。
3．3 收信時間定位技術
收信時間(Time of Arrival，TOA)定位技術采用幾何原理，這與信號強度法的幾何原理是相同的，唯一不同點是決定圓的半徑的參數(shù)不是信號強度，而是信號的傳播時間。由主動式標簽發(fā)射到讀取器的信號傳播時間可知，將信號傳播時間乘以傳播速度，就可以得到主動式標簽到讀取器之間的距離。TOA定位可以適用各個距離的定位，它不像AOA定位精確度會隨著主動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對于時間的敏感度很高，必須十分準確地測量信號實際的傳播時間。即使是很細微的時間誤差，也會導致真實距離的誤差，而且誤差可能會很大。
3．4 收信時間差定位技術
收信時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位技術采用測量信號從基站傳播到使用者的時間差以雙曲線定位的原理來進行定位。
該方法使用移動終端對基站進行監(jiān)聽并測量出信號到達兩個基站的時間差，每兩個基站得到一個測量值，從而形成一個雙曲線定位區(qū)。這樣，三個基站就會得到兩個雙曲線定位區(qū)，通過求解它們的交界點并加上附加條件，就可以得到移動終端的確切位置。TDOA是對TOA的改進，它不是直接利用信號到達時間，并不需要精確的時間同步，因此，定位精度會有所提升。
TDOA的公式是通過測量移動終端信號分別到多個基站的時間差的關系，然后通過矩陣運算出移動終端的空間坐標X和Y。其方法如下：


4 思科的RFID解決方案
思科(Cisco)的RFID無線定位解決方案能夠將智慧拓展到網(wǎng)絡的邊緣。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(shù)據(jù)中心路由器等多種設備。軟件可以收集和過濾在邊緣讀取到的RFID信息，并在數(shù)據(jù)中心過濾數(shù)據(jù)，然后關聯(lián)數(shù)據(jù)并建立連接后端應用的橋梁。思科無線定位解決方案是利用Cisco申請專利中的RF指紋技術，直接從WLAN基礎設施內部跟蹤數(shù)千個無線設備，從而簡化WLAN管理，有效提高網(wǎng)絡的擴展性，并最終改善解決問題的能力，降低運營成本。

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