摘要：針對室內(nèi)無線區(qū)域定位的需求，設(shè)計了基于有源RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)的無線定位系統(tǒng)。

　　RFID 讀寫器和標(biāo)簽系統(tǒng)均采用低功耗MCU 芯片PIC16F877A 作為控制單元， 以低功耗無線射頻收發(fā)器芯片CC2500 為配合外圍濾波器和天線等構(gòu)成系統(tǒng)的通信單元。在讀寫器與標(biāo)簽進行數(shù)據(jù)通信的過程中， 通過獲取RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示）信號推測出讀寫器與標(biāo)簽之間的距離，在獲得來自于多個具有固定位置信息的標(biāo)簽的RSSI 信號后，可以實現(xiàn)對讀寫器的無線定位。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)較高的無線區(qū)域定位。

　　隨著科技的進步和社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對定位服務(wù)的要求越來越高，傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足室內(nèi)定位的需求。GPS 在戶外環(huán)境的定位中應(yīng)用廣泛，但是由于混凝土等障礙物對電磁波的阻擋，它在室內(nèi)環(huán)境中是完全失效的。筆者基于有源RFID 技術(shù)，采用PIC 系列單片機PIC16F877A 和TI 公司的射頻收發(fā)器芯片CC2500，設(shè)計出了一種低成本、低功耗，可以適用于室內(nèi)環(huán)境的無線定位系統(tǒng)。

　　1 總體設(shè)計

　　RFID 室內(nèi)定位系統(tǒng)由讀寫器和標(biāo)簽組成。其中讀寫器按照功能劃分可以分為4 個模塊，如圖1 所示。分別是控制模塊、射頻通信模塊、定位信息顯示模塊、電源模塊。控制模塊負責(zé)控制系統(tǒng)的運行，包括對各種外設(shè)的控制，以及完成定位算法的運行等。射頻通信模塊負責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)， 采用ASK 調(diào)制方式，實現(xiàn)讀寫器和標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳輸。定位信息顯示模塊主要是顯示定位目標(biāo)的信息。電源模塊用來給系統(tǒng)的各個單元提供工作電源。另外，與上位機連接的讀寫器通過RS-232 串口與上位機進行通信， 所以部分讀寫器還帶有串口通信模塊。

圖1 讀寫器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　標(biāo)簽主要由控制模塊、射頻通信模塊、電源模塊組成，如圖2 所示。

圖2 標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　控制模塊中的微控制器通過SPI 接口與射頻收發(fā)器通信，在控制模塊的統(tǒng)一調(diào)度下，讀寫器與標(biāo)簽節(jié)點之間通過無線射頻通信交換信息。在讀寫器的無線信號覆蓋區(qū)域內(nèi)，標(biāo)簽節(jié)點收到來自讀寫器的廣播信號后會處于激活狀態(tài)，處于激活狀態(tài)的標(biāo)簽節(jié)點會將自己的ID 號發(fā)送給讀寫器，然后接收讀寫器的請求命令，將存儲于節(jié)點中的信息傳送給讀寫器；或者接收讀寫器的寫命令，將來自讀寫器的信息寫入自己的存儲器中。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 控制器部分

　　在系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到系統(tǒng)的功耗、成本及性能等要求，選擇Microchip 公司的PIC16F877A 作為系統(tǒng)的微控制器。

　　PIC16F877A 是一款具有RISC 結(jié)構(gòu)的16 位高性能單片機，內(nèi)部集成了一個在線調(diào)試器（In-Circuit Debugger），可以實現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程。擁有35 條單字指令，8k×14 個字節(jié)的FLASH 程序存儲器，368×8 字節(jié)的RAM，8 級硬件堆棧，內(nèi)部看門狗定時器，低功耗休眠模式，高達25 mA 的吸入/拉出電流， 外部具有3 個定時器模塊， 擁有10 位多通道A/D 轉(zhuǎn)換器，通用同步異步接收/發(fā)送器等功能模塊。它具有功耗低、驅(qū)動能力強、外接電路簡潔等特點，同時具有哈佛總線結(jié)構(gòu)、尋址簡單、指令條數(shù)少等優(yōu)點。

　　微控制器模塊主要由PIC16F877A 單片機及其外圍電路組成。其電路原理圖如圖3 所示。在讀寫器系統(tǒng)在中，PIC16F877A 的RB0~RB3 及RC7，RD4~RD7 用作向顯示模塊發(fā)送顯示數(shù)據(jù)的通信接口；OSC1 和OSC2 擴展外部時鐘電路；PIC16F877A 單片機通過SPI 接口設(shè)置CC2500 的工作參數(shù)并與CC2500 交換數(shù)據(jù)。

圖3 單片機外圍電路原理圖

　　2.2 射頻通信模塊

　　考慮到功耗、接收靈敏度、傳輸速率和芯片成本等因素，系統(tǒng)采用了TI 公司的無線射頻收發(fā)芯片CC2500 作為無線通信模塊控制器。CC2500 是TI 公司推出的一款低成本、低功耗、體積小的2.4 GHz 無線通信頻段的收發(fā)器，工作頻率波段為2400~2 483.5 MHz。RF 收發(fā)器集成了一個數(shù)據(jù)傳輸率可達500kbit/s 的高度， 可配置的調(diào)制解調(diào)器和一個64 位傳輸/接收FIFO（先進先出堆棧）。CC2500 的寄存器配置可通過SPI 接口控制。它具有載波監(jiān)聽和休眠模式，非常適合低功耗應(yīng)用。

　　射頻通信模塊主要由CC2500 收發(fā)器、傳輸與接收天線及其外圍濾波、匹配網(wǎng)絡(luò)組成，其中天線采用了Rainsun 公司的貼片天線，系統(tǒng)電路原理圖如圖4 所示。

圖4 CC2500 外圍電路原理圖

　　CC2500 通過4 線SPI 兼容接口（SI，SO，SCLK 和CSN）與PIC16F877A 相連，這個接口用作寫入和讀取數(shù)據(jù)。SI 為數(shù)據(jù)輸入線，SO 為數(shù)據(jù)輸出線，SCLK 為時鐘線，CSN 為片選信號線，低電平有效。SPI 接口的狀態(tài)控制線還包含一個讀/寫信號控制線。CC2500 的狀態(tài)寄存器里指示一些系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息。

　　2.3 電源模塊

　　RFID 室內(nèi)定位系統(tǒng)一般主要布置在樓宇、倉儲建筑物等的內(nèi)部，有些具有移動性，所以節(jié)點大多數(shù)需要采用電池供電，在元器件的選取中，盡量選擇低功耗器件以降低系統(tǒng)功耗，2.4~3.6 V 的電壓可以使系統(tǒng)中所有的器件和模塊正常工作。因此，實際中采用與之電壓匹配的高能紐扣鋰電池作為供電電源。

　　2.4 電磁兼容與抗干擾設(shè)計

　　在設(shè)計2.45 GHz 的RFID 系統(tǒng)時要考慮電磁兼容性（EMC），以保證讀寫器和標(biāo)簽在設(shè)定的電磁環(huán)境和規(guī)定的安全界限內(nèi)運行。在系統(tǒng)設(shè)計中，元件的選擇和電路設(shè)計是影響電磁兼容的重要因素，對于射頻通信模塊需要去耦電容來去除元件狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的噪聲電壓，并且要注意信號源和信號終端的阻抗匹配。PCB 上的導(dǎo)線同樣具有阻抗、電感、電容特性，因此在PCB 布局和布線也考慮了電磁兼容性等問題。布局是按照信號流程放置元件， 盡量縮短元件之間的連接，CC2500 底部通過多個過孔與地層連接。濾波電容盡量靠近器件放置，同時，為了抗電磁干擾，把數(shù)字電源和模擬電源、數(shù)字地和模擬地隔離開來。RFID 定位系統(tǒng)節(jié)點的布設(shè)位置應(yīng)盡量避開高大障礙物，以減少對電磁波的阻隔，影響傳輸性能。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 定位算法的選擇

　　本RFID 定位系統(tǒng)采用LANDMARC 定位原理。LANDMARC定位算法適用于有源RFID 室內(nèi)定位。它將具有固定位置信息的標(biāo)簽作為定位系統(tǒng)中的坐標(biāo)參考點，通過參考點標(biāo)簽與移動讀寫器之間的通信，獲取兩者之間的無線射頻信號強度值RSSI， 繼而獲取讀寫器與多個參考標(biāo)簽之間的RSSI 值，根據(jù)RSSI 與通信距離之間的對應(yīng)關(guān)系，獲取讀寫器與多個參考標(biāo)簽之間的距離關(guān)系。LANDMARC 算法可以通過比較讀寫器與參考標(biāo)簽之間RSSI 值的大小來獲得離讀寫器距離近的幾個參考標(biāo)簽，然后根據(jù)這幾個鄰近參考標(biāo)簽的坐標(biāo)，并結(jié)合它們的權(quán)重，可計算出讀寫器的坐標(biāo)。

　　3.2 RFID 定位算法

　　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（1）來表示，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。

　　由式（1）中可以看出，常數(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。射頻參數(shù)A 和n 用于描述網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境。射頻參數(shù)A 被定義為用dBm 表示的距發(fā)射器1 m時接收到信號平均能量的。如平均接收能量為-40dBm，那么參數(shù)A 被定為40。射頻參數(shù)n 指出了信號能量隨著距收發(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。

　　RSSI 值受周圍環(huán)境的影響較大，具有時變特性，有時會偏離式（1）的描述，根據(jù)接收信號強度估計出的距離d 就會有較大誤差。通過大量數(shù)據(jù)分析，采用了-個噪聲模型，即環(huán)境衰減因素模型，可有效補償環(huán)境影響帶來的誤差，如式（2）所示。

　　上式中EAF（dBm）為環(huán)境影響因素，它的值取決于室內(nèi)環(huán)境，是靠大量的數(shù)據(jù)累積的經(jīng)驗值。EAF（dBm）是一個隨機變量，但為了增強實用性，將其固定為-個值。通過大量比較實驗環(huán)境下測得的RSSI 值與理想狀態(tài)下的RSSI 值，得到試驗環(huán)境EAF（dBm）大概為11 dBm，A 取值45，n 取值3.5。

　　在采集到RSSI 值后，依據(jù)式（2）就可以得到讀寫器到標(biāo)簽的距離， 通過LANDMARC 三邊測量定位算法就可以定位出讀寫器的位置。如圖5 所示。

圖5 三邊測量定位示意圖

　　假設(shè)標(biāo)簽1 的坐標(biāo)為p1（x1，y1），標(biāo)簽2 的坐標(biāo)為p2（x2，y2），標(biāo)簽3 的坐標(biāo)為p3（x3，y3），讀寫器坐標(biāo)為p（x，y）。則讀寫器坐標(biāo)計算公式為：

　　由式（2）可以計算出讀寫器的坐標(biāo)位置為：

　　3.3 RFID 定位系統(tǒng)的工作流程

　　定位算法以MPLAB IDE 7.4 為開發(fā)平臺，采用C 語言編寫，經(jīng)過編譯、連接后生成機器代碼，到讀寫器程序存儲器中。RFID 定位系統(tǒng)軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 定位系統(tǒng)流程圖

　　4 結(jié)束語。

　　筆者介紹了一種基于PIC16F877A 和CC2500 的有源RFID 讀寫器和標(biāo)簽的硬件系統(tǒng)設(shè)計及室內(nèi)RFID 定位方法，對讀寫器和標(biāo)簽系統(tǒng)的各個模塊及運行于讀寫器中的定位算法及其工作流程進行了詳細介紹。該有源RFID 定位系統(tǒng)在小規(guī)模的室內(nèi)實驗中表現(xiàn)出較好的定位。

參考文獻:

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