一種基于RFID的室內定位系統設計

李巖 彭麗莎 余君明 李鳳麟 武漢工商學院

1 引言

定位技術分為室外定位技術和室內定位技術，常見的室外定位技術包括GPS定位、基站定位等，其中以GPS定位技術應用最為廣泛。中國北斗衛星導航系統是我國自主研發的衛星導航系統，它的定位精度為10米，測速精度為0.2米/秒，授時精度為10納秒，能在全球范圍內全天候、全天時提供高可靠、高精度的定位、導航、授時服務。

不論是GPS定位技術，還是我國北斗衛星導航系統，在室內環境中難以發揮用武之地，這是因為建筑物內部結構非常復雜，導致衛星信號嚴重衰減，無法達到精確定位的要求。

常見的室內定位技術包括Wi-Fi定位技術、藍牙定位技術、RFID定位技術、ZigBee定位技術等等。任何一種室內定位技術既存在優勢，也存在不足。本文中描述的系統特點包括：低功耗、速率快、穿透力強、成本低、體積小，因此選擇RFID室內定位技術設計系統。由于RFID技術不具備網絡通信特征，且需要低功耗，因此選擇ZigBee網絡通信技術。

2 系統整體設計思路

本系統的實質是一個救援報警系統，被定位的對象在發生危險或突發疾病的情況下，能夠迅速的按下手環上的報警鍵一鍵報警，本系統的應用場景設定為養老院、護理中心或醫院等醫護、醫養場所。當被定位對象報警后，護理人員的手持移動終端上會有聲音報警，同時在界面上顯示報警人所處的位置。與此同時，在醫養機構的監控中心，也收到了報警，在服務器上建有一個Web系統，用于實時監控被定位對象的情況。

本系統的設計由4部分組成，包括手持移動終端、可穿戴設備（手環）、上位機服務器、網絡數據通訊模塊。

手持移動終端是一個基于Android系統的移動設備，本系統中將手機作為手持終端，通過一個APP軟件用來接收定位對象發送的信息，同時用手機鈴聲進行報警，在這個APP中通過閃爍紅色原點的方式，顯示報警人所處的位置。

手環中包含RFID標簽，用于當被定位人發生危險時，如突發疾病等情況下，能夠通過觸碰按鈕一鍵報警；若是誤報，則允許報警人再次按下按鈕，取消報警。

上位機服務器用于接收手環報警信息，并能夠實時監控手環的在線狀態，當手環在線時呈現綠色，當手環報警時呈現紅色；若出現誤報，則允許報警人手動取消報警，閃爍的紅圓點變為綠色。同時，上位機服務器保存報警人的基本信息。

網絡數據通訊模塊包括網關、參考節點，將ZigBee模塊作為參考節點和盲節點，通過網關接收各節點發送的數據，上傳到上位機服務器進行數據處理。參考節點是一個位置固定的ZigBee模塊，它已知自己的位置，將自己的位置信息發送給盲節點。

3 系統軟件設計思路

3.1 上位機服務器軟件設計思路

上位機服務器軟件是一個用Java語言編寫的Web信息系統，其功能包括：

（1）實時顯示建筑物地圖，建筑物地圖由醫養機構提供，并在計算機中進行圖形建模，同時顯示房間中佩戴了手環的被養護人狀態。若被養護人的狀態正常，則顯示綠色圓點；若發生報警，則相應的位置顯示紅色圓點；若誤報，則允許報警人在手環上取消報警，同時紅色圓點變為綠色。當醫護人員處理完警情后，在系統中單擊確認，則紅色圓點變為綠色。

（2）數據庫系統，用數據庫存儲被養護人的基本信息，如姓名、年齡、親屬、親屬聯系方式、家庭住址、病史等等信息。

（3）該系統還能進行數據分析，分析被養護人報警的次數，從而判斷出被養護人發病的次數；還能分析被養護人報警的時間段，從而判斷報警人在一天中哪個時間或一年中哪些季節，發病的次數較多。能夠為醫養機構的醫護人員提供疾病預判的參考數據。

（4）通過三邊定位算法，判斷報警人所在的位置，顯示在軟件地圖中。三邊定位算法的原理是：已測出盲節點到不共線的三個參考節點的距離分別為D1、D2和D3，則以三個參考節點的坐標為中心，D1、D2和D3作為半徑分別畫三個圓，則可以求得盲節點的坐標為三個圓相交的點。但在實際測量中，由于測量的誤差，三個圓沒有相交于一點，本系統中使用加權的方式改進三邊定位算法，即以三個參考節點測量的距離為一組，進行分組，然后將測得較遠參考節點的距離加權，最后將每個組合得到的結果再加權，得到盲節點的位置。

3.2 手持終端設備軟件設計思路

手持終端設備使用Android系統，手持終端設備軟件是一個APP。該APP功能比較簡單，即實時顯示被養護人的狀態和報警位置信息。該APP中的地圖由醫養機構提供，在Android環境中圖形建模。當被養護人處于正常狀態時，APP上顯示被養護人所處的位置為綠色圓點；當被養護人通過手環報警后，APP上對應的該被養護人所處的位置為紅色、閃爍圓點，同時手持終端設備上的蜂鳴器或鈴音啟動；若誤報，則允許報警人取消報警信息，同時紅色圓點變為綠色；若醫護人員處理完警情，則在手持設備上單擊確定，將紅點變為綠點。

4 系統硬件設計思路

硬件設計包括網關、電子標簽、閱讀器和ZigBee模塊、參考節點的設計。

網關設計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簽、閱讀器、參考節點、盲節點、上位機服務器中間的信息傳遞，是本系統中的核心部分。輔助功能模塊主要負責完成串口通信、供電、將獲取的數據寫入上位機服務器中的數據庫等輔助功能。

電子標簽、閱讀器和ZigBee模塊的設計。上位機服務器發送請求，網關將ID等信息無線發送給ZigBee模塊，ZigBee模塊將信息轉發給控制芯片，控制芯片通過調制的方式轉換編碼，然后通過天線以廣播的形式不間斷的發送信號。當有電子標簽進入該區域，則附近的ZigBee模塊都會捕獲該標簽，計算出標簽與ZigBee模塊之間的距離，取三個最近的距離數值，再將得到的距離數值通過網關發送給上位機服務器，用改進的三邊定位算法估算出電子標簽所處的位置。

5 結束語

本文描述的系統是一種基于RFID技術，用ZigBee組網的室內定位系統，定位算法采用了改進的三邊定位算法，該系統主要用以判斷人員所處的位置。該系統由上位機服務器、手持終端設備、網關、RFID標簽和閱讀器、ZigBee模塊組成，本文詳細描述了各組成部分的設計思路，以期實現一個低功耗、低成本、穿透力強、效率快、體積小的室內定位解決方案。