基于Wi-Fi網(wǎng)絡下的RFID定位解決方案

　　隨著移動通信需求的日益增長，允許訪問特定位置信息在普適計算及應用方面表現(xiàn)出廣泛的重要性。在室外環(huán)境下，基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)的全球定位系統(tǒng)(GPS)或者北斗星定位系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足一定的室外定位需求。然而，這些技術(shù)并不能很好的運用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，必須采用一些替代技術(shù)。為了實現(xiàn)這個目標，基于IEEE802.11無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)的技術(shù)提供了一個高性價比的解決方案。室內(nèi)定位問題必須要考慮室內(nèi)環(huán)境所表現(xiàn)出的傳輸信道特性，由于墻壁和障礙物的影響，會帶來多徑衰弱、吸收以及遮蔽等一系列問題。因此，基于幾何角的測量技術(shù)，比如到達角(AOA)、到達相位(POA)、到達時間(TOA)或者到達時間差(TDOA)不能很好的應用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中。近幾年，隨著射頻識別技術(shù)(Radio FrequentlyIdentification,RFID)的不段完善和推廣，并且憑借其重量輕、功耗低和識別能力強等獨特優(yōu)勢，逐步運用在各種場合中，如身份標識、工程控制和定位追蹤等領(lǐng)域。本文的研究重點是將研究Wi-Fi無線傳輸技術(shù)與RFID識別技術(shù)相結(jié)合，通過RFID標簽來實現(xiàn)Wi-Fi系統(tǒng)定位的解決方案。據(jù)初步檢索，國內(nèi)對基于Wi-Fi的RFID定位技術(shù)研究工作尚不多見，本文的工作是將對基于Wi-Fi的RFID定位系統(tǒng)的定位方案進行探討。

　　1 定位系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　射頻識別技術(shù)(RFID)是20世紀90年代起新興的一項自動識別技術(shù)，它主要通過標簽對應的唯一ID號識別標志物。與傳感器技術(shù)類似，RFID技術(shù)被認為是物聯(lián)網(wǎng)(The Internetof Things)一項支撐技術(shù)。某些人認為，前者只是識別，沒有處理的能力，而后者可以對感知到的物品進行處理。和傳統(tǒng)的磁卡、IC卡相比，射頻卡最大的優(yōu)點就在于非接觸，因此，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。

　　RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個閱讀器和多個標簽組成。

　　RFID技術(shù)利用無線射頻方式在閱讀器和標簽之間進行非接觸雙向傳輸數(shù)據(jù)， 已達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：電子標簽(Tag)、讀寫器(Reader)和在標簽與讀卡器間傳遞射頻信號的微型天線(Antenna)。

　　我們下面將要研究的定位測試平臺主要由多個支持RFID讀寫器功能的Wi-Fi接入點和內(nèi)置有RFID標簽的Wi-Fi終端組成。

　　2 定位方案

　　基于Wi-Fi的RFID定位方案我們將考慮采用以下兩種解決方案：(1)基于信號強度和到達時間差復合定位方案;(2)基于位置距離和角度的定位方案。

　　2 . 1 基于信號強度和到達時間差復合定位方案

　　對室內(nèi)Wi-Fi終端進行定位前，首先根據(jù)室內(nèi)實際情況規(guī)劃出室內(nèi)的終端分布圖，存入信息處理數(shù)據(jù)庫;然后根據(jù)室內(nèi)分布情況設置AP接入點，同時我們需要設置一個位置固定的參考標簽， 作為測量基準點來幫助進行位置校準， 設置的接入點數(shù)量根據(jù)具體的室內(nèi)情況而定。

　　當Wi-Fi終端進入室內(nèi)后，AP接入點內(nèi)的RFID讀寫器被喚醒，再由讀寫器發(fā)出一個無線喚醒信號，喚醒Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標簽。標簽接收到喚醒信號后，從休眠模式中喚醒，然后比較自身ID號與接收信號中的ID號是否一致，ID號不相符的標簽再次進入休眠模式，而ID相符的標簽則進入接收模式，接收信號并定位解算出其位置數(shù)據(jù)，并將位置數(shù)據(jù)送到處理器進行處理。文獻[4]中已經(jīng)研究了基于RFID的停車場無線定位方案，而我們提出了一種基于Wi-Fi的RFID定位方案，通過多個Wi-Fi AP接入點內(nèi)的讀寫器分別讀取待定位Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標簽，將獲得的位置數(shù)據(jù)進行融合， 最終得到RFID標簽的位置信息。如圖2給出了基于該定位算法的結(jié)構(gòu)化框圖。

　　基于信號強度的定位算法是用一個位置已知的參考標簽與待定位Wi-Fi終端的標簽接收同一個AP接入點的定位信號。參考標簽所測得的位置與該點已知值進行比較后，獲得讀寫器的定位數(shù)據(jù)的校正值，然后及時將此校正值發(fā)送給待定位的標簽，修正標簽所測得的實時位置信息S,并將此信息上傳給讀寫器。在此過程中始終保持只有一個讀寫器工作，其余的讀寫器處于休眠狀態(tài)，當一個讀寫器完成位置信息采集后，再由其他讀寫器完成同樣的過程，這種定位方式下至少需要進行3次位置信息的采集。假設信號強度公式與讀寫器和標簽之間的距離有關(guān)，則簡單信號傳播模型可用式(1)表示：

　　P(r )= (P )-10alog(r/0r)(1)

　　式中， P(r)為標簽接收到的信號功率; r為標簽與讀寫器的距離; r0 為相對于讀卡器的參考距離; P(r)0 為該參考點的信號功率， 參數(shù)a 為路徑損耗隨著距離r 的增加而增加的速率。需要指出的是，通過該模型計算出的某個位置信號強度往往被估計得過高，實用性不大，比較實用的信號強度模型在文獻[6~7]中有比較詳細的介紹。

　　采用到達時間差(TDOA)算法是通過測量不同讀卡器接收到同一標簽的定位信號的時間差，并由此計算出標簽到不同讀寫器的距離差。標簽到任何兩個讀寫器的距離差D為定值，標簽必定位于兩個讀寫器為焦點的雙曲線上，當同時有N個讀寫器參與測距時(N≥3)，由多個雙曲線之間的交匯區(qū)域就是對標簽位置的估計。TDOA只是測量各讀寫器接收到的同一標簽定位信號的到達時間差，參加定位的各個讀寫器在時間上不要求嚴格同步。假定測量第i 個讀寫器和第j個讀寫器的到達時間分別為 TAi 和TAj ,那么信號到達第i 個和第j 個讀寫器的時間差就是 TAji = TAi -TAj , 它們的距離差Rji = C*TAji .利用基于信號強度定位算法算出的坐標值及一些先驗知識(如室內(nèi)半徑)從其兩個解中分辨出Wi-Fi終端的具體位置。

　　2 . 2 基于位置距離和角度的定位方案

　　文獻[5]中，P.Munishwar等人提出了一種基于RFID的機器人定位方案，我們在此工作基礎上提出了一種可以運用在Wi-Fi系統(tǒng)中的終端定位方案。該方案與基于信號強度的定位方案的不同在于引入了方向角的計算，通過距離和角度信息來實現(xiàn)Wi-Fi終端的定位。在Wi-Fi系統(tǒng)中需要設置了一個或多個傳感器，用來跟蹤待定位終端的運動，這些傳感器可以通過串行接口進行查詢，并返回自上次查詢之后終端的運動距離和角度信息。

　　內(nèi)置在Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標簽允許待定位終端確定它的絕對位置(x,y)，而位置的不確定性等于RFID讀寫器的最大標簽感知半徑。

　　系統(tǒng)定期運行算法一次(比如50ms)，來獲取和處理傳感器和RFID讀寫器的數(shù)據(jù)。

　　通過RFID技術(shù)定期的重新校準終端位置和角度數(shù)據(jù)，每次定位算法運行時，它讀取傳感器兩次查詢之后的距離和角度差值變化， 并把變化值分別累加到已知的位置和角度上，并且復位傳感器。傳感器可以從標簽兩次測量的坐標(x1,y1)、(x2,y2)來判斷它的運動方向。如果終端在一條直線上運動， 那么△θRFID等于0,最后根據(jù)終端的位置和角度信息， 我們就可以對終端進行定位。