一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計

張 穎， 李 凱， 王建偉

（1.上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306；2.上海真灼電子技術(shù)有限公司 上海 201100）

隨著社會的發(fā)展，定位技術(shù)越來越受到關(guān)注。現(xiàn)有的定位技術(shù)如GPS定位，紅外定位等，考慮到精度，成本，可行性等方面，都有一定的局限性，尤其是在一些屏蔽物遮擋的局域定位的場合。射頻識別（RFID）定位技術(shù)以其非接觸、高靈敏度和低成本等優(yōu)點，在這種場合下成為一種重要技術(shù)選擇，受到人們越來越多的關(guān)注[1]。

在多標(biāo)簽定位系統(tǒng)中必然會出現(xiàn)多個標(biāo)簽同時與讀寫器通信產(chǎn)生信號碰撞的情況。目前RFID多標(biāo)簽防碰撞算法有多種：多址技術(shù)、ALOHA防碰撞算法[2]、二進(jìn)制防碰撞算法等。多址防碰撞算法是以增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和提高成本為代價，且有無法克服的缺陷；ALOHA防碰撞算法有時會導(dǎo)致讀寫器出現(xiàn)錯誤判斷，對某個標(biāo)簽是否在讀寫范圍內(nèi)產(chǎn)生誤判，同時還存在沖突概率較大的問題；簡單的二進(jìn)制防碰撞算法有時并不能夠取得很好的避碰效果。文中采用基于序列號對時隙數(shù)運算的排序算法，該算法可以克服上述誤判的問題，并且易于實現(xiàn)、效率高、軟件編寫簡單，可以不受標(biāo)簽數(shù)量的限制，是一種穩(wěn)定可靠、實用性強的防碰撞算法。RFID定位算法有：LANDMARC[3]、基于信號達(dá)到角度的定位法（AOA）等，這里采用圓周定位算法，該方法簡單可靠，易于在線實施，且具有一定定位精度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由讀寫器和有源標(biāo)簽組成。讀寫器與標(biāo)簽之間的射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞，讀寫器通過與標(biāo)簽的無線通信，獲得接收信號強度指示（RSSI）值[4]，這是對待定位標(biāo)簽進(jìn)行位置計算的重要參數(shù)。微控制器PIC16F877A[5-6]控制CC2500射頻收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收[7-8]。讀寫器網(wǎng)關(guān)節(jié)點可通過RS232接口與上位機相連。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

讀寫器與標(biāo)簽的控制模塊均采用Microchip公司的8位高性能、低功耗微控制器PIC16F877A作為主控芯片，它在架構(gòu)上采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，便于實現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化，單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度。此外，片上數(shù)據(jù)存貯空間比較大，充足的存儲空間，可以方便通信協(xié)議棧的設(shè)計與實現(xiàn)。內(nèi)部看門狗定時器，提高了程序執(zhí)行的穩(wěn)定性；低功耗休眠模式，大大降低了系統(tǒng)的功耗。它具有驅(qū)動能力強、外接電路簡潔、功耗低等特點。因此適合于作為RFID讀寫器的控制器來使用。

射頻收發(fā)器選用CC2500[7-8]作為控制芯片，CC2500集成了一個數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)500 kbps的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，大大加強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽瑫r通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，使性能得到大幅度提升。MCU通過SPI接口向CC2500發(fā)送操作命令，配置其調(diào)制方式、工作頻率等參數(shù)，通過指令將其配置為接收狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)、空閑狀態(tài)或休眠狀態(tài)。CC2500的引腳SO和SI分別為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮敵龊洼斎胄盘柧€，CSN為片選信號引腳，SCLK為時鐘信號引腳。當(dāng)其接收到一個數(shù)據(jù)或發(fā)送完一個數(shù)據(jù)，都會通過引腳GDO0和GDO2輸出相應(yīng)的狀態(tài)脈沖，MCU據(jù)此來判斷CC2500的狀態(tài)，從而決定對CC2500的下一步操控。微控制器PIC16F877A和CC2500收發(fā)器模塊的連接如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

圖2 微控制器與收發(fā)器之間的SPI接口連接圖Fig.2 SPI interface between MCU and transceiver

2 多標(biāo)簽識別防碰撞算法設(shè)計

定位系統(tǒng)涉及多個標(biāo)簽與讀寫器之間的實時通信，需要解決多標(biāo)簽識別信號碰撞問題。基于序列號對時隙數(shù)運算的排序算法具有算法[9]易于實現(xiàn)、響應(yīng)速度快、執(zhí)行效率高等特點，是時分復(fù)用方法的一種。利用微控制器PIC16F877A通過SPI接口來控制CC2500數(shù)據(jù)的發(fā)送時隙，將標(biāo)簽作為應(yīng)答器，基于序列號對時隙數(shù)運算的排序算法的實現(xiàn)流程如下：在爭用周期內(nèi)，首先利用標(biāo)簽序列號除以爭用周期時隙數(shù)所得的余數(shù)來確定標(biāo)簽在爭用數(shù)據(jù)幀內(nèi)的發(fā)送時隙；然后利用標(biāo)簽序列號除以爭用周期時隙數(shù)所得的商確定標(biāo)簽在爭用幀內(nèi)相應(yīng)時隙的發(fā)送位，然后在爭用周期內(nèi)發(fā)送的爭用數(shù)據(jù)幀的相應(yīng)時隙發(fā)送位填充數(shù)據(jù)“1”；最后利用填充過的爭用數(shù)據(jù)幀確定標(biāo)簽在整個數(shù)據(jù)發(fā)送周期內(nèi)的發(fā)送順序（即標(biāo)簽的發(fā)送順序 =其發(fā)送位及其前面各發(fā)送位中 “1”的總數(shù)），從而給不同序列號的標(biāo)簽分配不同的發(fā)送時序。本設(shè)計用了9個待定位標(biāo)簽，利用上述算法進(jìn)行標(biāo)簽識別排序，具體流程如圖3所示（這里的應(yīng)答器指標(biāo)簽應(yīng)答器）。

圖3 基于序列號對時隙數(shù)運算的排序算法Fig.3 Sorting algorithm based on operations of serial number to the number of time slots

圖3倒數(shù)第二行為9個標(biāo)簽的發(fā)送時序，發(fā)送的時序是A0，A4，A8，A1，A5，A2，A6，A3，A7。 這樣這 9 個標(biāo)簽就可以保證無碰撞地被讀寫器識別，這種多標(biāo)簽防碰撞沖突是多標(biāo)簽定位系統(tǒng)能夠正常工作的前提。

3 定位算法設(shè)計

本系統(tǒng)采用的定位算法是圓周定位法，圓周定位法是利用讀寫器接收標(biāo)簽信號得到RSSI值，通過相關(guān)的定位計算公式來進(jìn)行定位的一種方法。

無線信號的接收信號強度和信號傳輸距離的關(guān)系可以用式（3）來表示[10]，其中RSSI是接收信號強度，d是收發(fā)節(jié)點之間的距離，n是信號傳播因子，EAF是環(huán)境因子。

由式（1）中可以看出，射頻參數(shù)A和n的值決定了接收信號強度和信號傳輸距離的關(guān)系。A和n用于描述通信操作環(huán)境。射頻參數(shù)A被定義為dbm，表示距發(fā)射機1 m時接收到信號平均能量的絕對值，如平均接收能量是-10 dbm，那么參數(shù)A就被定義為10。射頻參數(shù)n指出了信號能量隨著到收發(fā)器距離增加而衰減的速率，其數(shù)值的大小取決于無線信號傳播的環(huán)境。通過大量的比較和驗證，得到實際應(yīng)用場合環(huán)境因子EAF的大概值為13.5，A取 45，n取3.5。依據(jù)式（1）可得到待定位標(biāo)簽到讀寫器的直線距離，r表示讀寫器與待定位標(biāo)簽之間的距離，即r=d。3個讀寫器的位置已知，分別是 p1（x1，y1），p2（x2，y2），p3（x3，y3）。 則待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)計算如式（2）所示：

由式（2）可以計算出標(biāo)簽的坐標(biāo)位置為：

三邊定位的示意圖如圖4和圖5。

圖4 三邊定位的理想情況Fig.4 Trilateral positioning in ideal situation

圖5 三邊定位的實際情況Fig.5 Trilateral positioning in actual situation

實驗中將 3 個讀寫器放在坐標(biāo)為（2，2），（2，4），（4，4）的位置上，分別依次對9個待定位標(biāo)簽進(jìn)行定位實驗。9個待定位標(biāo)簽放在4 m×4 m的正方形區(qū)域內(nèi)，相鄰的待定位標(biāo)簽相互之間相隔2 m，具體布置如圖6所示。

圖6 定位實驗中讀寫器和標(biāo)簽放置的位置Fig.6 Placement of readers and tags in positioning experiment

分別對每個標(biāo)簽到讀寫器的RSSI值測試20次，并記錄其數(shù)據(jù)，通過上述圓周定位算法對得到的RSSI值進(jìn)行處理，得到各個待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)值，實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7中圓圈表示標(biāo)簽的理論位置，星點表示標(biāo)簽的定位位置，每一個標(biāo)簽定位實驗20次。從圖中可以看出每個區(qū)域的20個星點都圍繞在圓圈附近，說明定位位置相比于理論位置存在定位誤差。分別對9個標(biāo)簽點的20次定位測試結(jié)果進(jìn)行均方差統(tǒng)計，均方差的范圍在0.236～0.541之間。

圖7 定位實驗結(jié)果圖Fig.7 Result of positioning experiment

4 結(jié)束語

文中介紹了一種基于低功耗微控制器PIC16F877A和收發(fā)器CC2500的RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計方法，介紹了硬件模塊系統(tǒng)的設(shè)計方法；利用基于序列號對時隙數(shù)運算的排序算法解決了多標(biāo)簽識別的防碰撞問題；利用圓周定位算法對待定位標(biāo)簽進(jìn)行了局域定位。實驗表明該設(shè)計方法及算法能夠在多標(biāo)簽狀態(tài)下完成一定精度的實時定位，驗證了該局域定位方法的可行性。

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