一種基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李巖 彭麗莎 余君明 李鳳麟 武漢工商學(xué)院

1 引言

定位技術(shù)分為室外定位技術(shù)和室內(nèi)定位技術(shù)，常見的室外定位技術(shù)包括GPS定位、基站定位等，其中以GPS定位技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它的定位精度為10米，測速精度為0.2米/秒，授時(shí)精度為10納秒，能在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)提供高可靠、高精度的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。

不論是GPS定位技術(shù)，還是我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在室內(nèi)環(huán)境中難以發(fā)揮用武之地，這是因?yàn)榻ㄖ飪?nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，導(dǎo)致衛(wèi)星信號嚴(yán)重衰減，無法達(dá)到精確定位的要求。

常見的室內(nèi)定位技術(shù)包括Wi-Fi定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)等等。任何一種室內(nèi)定位技術(shù)既存在優(yōu)勢，也存在不足。本文中描述的系統(tǒng)特點(diǎn)包括：低功耗、速率快、穿透力強(qiáng)、成本低、體積小，因此選擇RFID室內(nèi)定位技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。由于RFID技術(shù)不具備網(wǎng)絡(luò)通信特征，且需要低功耗，因此選擇ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)救援報(bào)警系統(tǒng)，被定位的對象在發(fā)生危險(xiǎn)或突發(fā)疾病的情況下，能夠迅速的按下手環(huán)上的報(bào)警鍵一鍵報(bào)警，本系統(tǒng)的應(yīng)用場景設(shè)定為養(yǎng)老院、護(hù)理中心或醫(yī)院等醫(yī)護(hù)、醫(yī)養(yǎng)場所。當(dāng)被定位對象報(bào)警后，護(hù)理人員的手持移動(dòng)終端上會(huì)有聲音報(bào)警，同時(shí)在界面上顯示報(bào)警人所處的位置。與此同時(shí)，在醫(yī)養(yǎng)機(jī)構(gòu)的監(jiān)控中心，也收到了報(bào)警，在服務(wù)器上建有一個(gè)Web系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控被定位對象的情況。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由4部分組成，包括手持移動(dòng)終端、可穿戴設(shè)備（手環(huán)）、上位機(jī)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊模塊。

手持移動(dòng)終端是一個(gè)基于Android系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備，本系統(tǒng)中將手機(jī)作為手持終端，通過一個(gè)APP軟件用來接收定位對象發(fā)送的信息，同時(shí)用手機(jī)鈴聲進(jìn)行報(bào)警，在這個(gè)APP中通過閃爍紅色原點(diǎn)的方式，顯示報(bào)警人所處的位置。

手環(huán)中包含RFID標(biāo)簽，用于當(dāng)被定位人發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，如突發(fā)疾病等情況下，能夠通過觸碰按鈕一鍵報(bào)警；若是誤報(bào)，則允許報(bào)警人再次按下按鈕，取消報(bào)警。

上位機(jī)服務(wù)器用于接收手環(huán)報(bào)警信息，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控手環(huán)的在線狀態(tài)，當(dāng)手環(huán)在線時(shí)呈現(xiàn)綠色，當(dāng)手環(huán)報(bào)警時(shí)呈現(xiàn)紅色；若出現(xiàn)誤報(bào)，則允許報(bào)警人手動(dòng)取消報(bào)警，閃爍的紅圓點(diǎn)變?yōu)榫G色。同時(shí)，上位機(jī)服務(wù)器保存報(bào)警人的基本信息。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊模塊包括網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)，將ZigBee模塊作為參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)關(guān)接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，上傳到上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)位置固定的ZigBee模塊，它已知自己的位置，將自己的位置信息發(fā)送給盲節(jié)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路

3.1 上位機(jī)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)思路

上位機(jī)服務(wù)器軟件是一個(gè)用Java語言編寫的Web信息系統(tǒng)，其功能包括：

（1）實(shí)時(shí)顯示建筑物地圖，建筑物地圖由醫(yī)養(yǎng)機(jī)構(gòu)提供，并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖形建模，同時(shí)顯示房間中佩戴了手環(huán)的被養(yǎng)護(hù)人狀態(tài)。若被養(yǎng)護(hù)人的狀態(tài)正常，則顯示綠色圓點(diǎn)；若發(fā)生報(bào)警，則相應(yīng)的位置顯示紅色圓點(diǎn)；若誤報(bào)，則允許報(bào)警人在手環(huán)上取消報(bào)警，同時(shí)紅色圓點(diǎn)變?yōu)榫G色。當(dāng)醫(yī)護(hù)人員處理完警情后，在系統(tǒng)中單擊確認(rèn)，則紅色圓點(diǎn)變?yōu)榫G色。

（2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)被養(yǎng)護(hù)人的基本信息，如姓名、年齡、親屬、親屬聯(lián)系方式、家庭住址、病史等等信息。

（3）該系統(tǒng)還能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析被養(yǎng)護(hù)人報(bào)警的次數(shù)，從而判斷出被養(yǎng)護(hù)人發(fā)病的次數(shù)；還能分析被養(yǎng)護(hù)人報(bào)警的時(shí)間段，從而判斷報(bào)警人在一天中哪個(gè)時(shí)間或一年中哪些季節(jié)，發(fā)病的次數(shù)較多。能夠?yàn)獒t(yī)養(yǎng)機(jī)構(gòu)的醫(yī)護(hù)人員提供疾病預(yù)判的參考數(shù)據(jù)。

（4）通過三邊定位算法，判斷報(bào)警人所在的位置，顯示在軟件地圖中。三邊定位算法的原理是：已測出盲節(jié)點(diǎn)到不共線的三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離分別為D1、D2和D3，則以三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為中心，D1、D2和D3作為半徑分別畫三個(gè)圓，則可以求得盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為三個(gè)圓相交的點(diǎn)。但在實(shí)際測量中，由于測量的誤差，三個(gè)圓沒有相交于一點(diǎn)，本系統(tǒng)中使用加權(quán)的方式改進(jìn)三邊定位算法，即以三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)測量的距離為一組，進(jìn)行分組，然后將測得較遠(yuǎn)參考節(jié)點(diǎn)的距離加權(quán)，最后將每個(gè)組合得到的結(jié)果再加權(quán)，得到盲節(jié)點(diǎn)的位置。

3.2 手持終端設(shè)備軟件設(shè)計(jì)思路

手持終端設(shè)備使用Android系統(tǒng)，手持終端設(shè)備軟件是一個(gè)APP。該APP功能比較簡單，即實(shí)時(shí)顯示被養(yǎng)護(hù)人的狀態(tài)和報(bào)警位置信息。該APP中的地圖由醫(yī)養(yǎng)機(jī)構(gòu)提供，在Android環(huán)境中圖形建模。當(dāng)被養(yǎng)護(hù)人處于正常狀態(tài)時(shí)，APP上顯示被養(yǎng)護(hù)人所處的位置為綠色圓點(diǎn)；當(dāng)被養(yǎng)護(hù)人通過手環(huán)報(bào)警后，APP上對應(yīng)的該被養(yǎng)護(hù)人所處的位置為紅色、閃爍圓點(diǎn)，同時(shí)手持終端設(shè)備上的蜂鳴器或鈴音啟動(dòng)；若誤報(bào)，則允許報(bào)警人取消報(bào)警信息，同時(shí)紅色圓點(diǎn)變?yōu)榫G色；若醫(yī)護(hù)人員處理完警情，則在手持設(shè)備上單擊確定，將紅點(diǎn)變?yōu)榫G點(diǎn)。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路

硬件設(shè)計(jì)包括網(wǎng)關(guān)、電子標(biāo)簽、閱讀器和ZigBee模塊、參考節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)包括無線通信模塊和輔助功能模塊。無線通信模塊主要用于電子標(biāo)簽、閱讀器、參考節(jié)點(diǎn)、盲節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)服務(wù)器中間的信息傳遞，是本系統(tǒng)中的核心部分。輔助功能模塊主要負(fù)責(zé)完成串口通信、供電、將獲取的數(shù)據(jù)寫入上位機(jī)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫等輔助功能。

電子標(biāo)簽、閱讀器和ZigBee模塊的設(shè)計(jì)。上位機(jī)服務(wù)器發(fā)送請求，網(wǎng)關(guān)將ID等信息無線發(fā)送給ZigBee模塊，ZigBee模塊將信息轉(zhuǎn)發(fā)給控制芯片，控制芯片通過調(diào)制的方式轉(zhuǎn)換編碼，然后通過天線以廣播的形式不間斷的發(fā)送信號。當(dāng)有電子標(biāo)簽進(jìn)入該區(qū)域，則附近的ZigBee模塊都會(huì)捕獲該標(biāo)簽，計(jì)算出標(biāo)簽與ZigBee模塊之間的距離，取三個(gè)最近的距離數(shù)值，再將得到的距離數(shù)值通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送給上位機(jī)服務(wù)器，用改進(jìn)的三邊定位算法估算出電子標(biāo)簽所處的位置。

5 結(jié)束語

本文描述的系統(tǒng)是一種基于RFID技術(shù)，用ZigBee組網(wǎng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，定位算法采用了改進(jìn)的三邊定位算法，該系統(tǒng)主要用以判斷人員所處的位置。該系統(tǒng)由上位機(jī)服務(wù)器、手持終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、RFID標(biāo)簽和閱讀器、ZigBee模塊組成，本文詳細(xì)描述了各組成部分的設(shè)計(jì)思路，以期實(shí)現(xiàn)一個(gè)低功耗、低成本、穿透力強(qiáng)、效率快、體積小的室內(nèi)定位解決方案。