鄧昀+程小輝

摘要：以RFID技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)室內(nèi)無線定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，其由有源RFID固定標(biāo)簽、有源RFID移動(dòng)標(biāo)簽、有源RFID讀寫器、定位服務(wù)器4部分組成。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)功能需求進(jìn)行了分析，提出了基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，其包含設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)，并探討了該系統(tǒng)在科研方向的應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)培養(yǎng)RFID領(lǐng)域的研究設(shè)計(jì)型人才具有重要作用。

關(guān)鍵詞：RFID；室內(nèi)無線定位；實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)；RSSI；三角形加權(quán)質(zhì)心算法

DOIDOI：10.11907/rjdk.171765

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）006-0045-05

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一次重大機(jī)遇，它可以實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物的緊密聯(lián)系和相互交流。因此，作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)根本要素的人才培養(yǎng)尤為重要。高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育的一個(gè)重要組成部分，其質(zhì)量高低直接影響著教學(xué)與科研質(zhì)量[1]。

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)概念中的重要一員，其技術(shù)已經(jīng)在室內(nèi)定位、車輛識(shí)別、門禁安全、物流、產(chǎn)品防偽等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。室內(nèi)定位能在室內(nèi)環(huán)境下為指定對(duì)象和用戶提供有效的跟蹤、定位和導(dǎo)航服務(wù)，停車場(chǎng)、商場(chǎng)、火車站等場(chǎng)所對(duì)定位和導(dǎo)引的需求日趨強(qiáng)烈。此外，精準(zhǔn)營(yíng)銷、智能制造、智能物流等行業(yè)也需要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算、識(shí)別特定對(duì)象的位置。這些需求為室內(nèi)定位系統(tǒng)（ Indoor Localization System，ILS）提供了巨大的機(jī)會(huì)。與其它室內(nèi)定位技術(shù)相比，如視頻分析、超聲波、紅外技術(shù)等，RFID無線射頻室內(nèi)定位技術(shù)具有覆蓋區(qū)域廣、定位精度高、成本低等特點(diǎn)。

本文結(jié)合室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用需求，以及物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)需求，設(shè)計(jì)了基于有源RFID技術(shù)的室內(nèi)無線定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由有源RFID固定標(biāo)簽、有源RFID移動(dòng)標(biāo)簽、有源RFID讀寫器、定位服務(wù)器4部分組成。RFID固定標(biāo)簽定期發(fā)射-18dBm、-12dBm、-6dBm和0dBm的射頻功率信號(hào)值；RFID移動(dòng)標(biāo)簽周期性地接收固定標(biāo)簽發(fā)送的射頻功率信號(hào)值，并封裝成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給有源RFID讀寫器；RFID讀寫器通過RS-232串口將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給定位服務(wù)器；定位服務(wù)器采用基于RSSI定位方法的三角形加權(quán)質(zhì)心算法進(jìn)行定位計(jì)算，實(shí)時(shí)顯示移動(dòng)標(biāo)簽的位置坐標(biāo)信息。

系統(tǒng)主要包含3方面設(shè)計(jì)：①定位算法設(shè)計(jì)，基于RSSI定位方法的三角形加權(quán)質(zhì)心算法計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽的位置坐標(biāo)；②定位跟蹤模塊硬件設(shè)計(jì)，包括固定標(biāo)簽、移動(dòng)標(biāo)簽、讀寫器的硬件設(shè)計(jì)；③定位模塊程序設(shè)計(jì)，包括固定標(biāo)簽、移動(dòng)標(biāo)簽、讀寫器的程序設(shè)計(jì)，以及實(shí)時(shí)定位、歷史數(shù)據(jù)顯示、軌跡回放功能模塊的程序設(shè)計(jì)。定位系統(tǒng)流程如圖1所示。

（1）固定標(biāo)簽、移動(dòng)標(biāo)簽、讀寫器部署：在應(yīng)用場(chǎng)景中，按一定坐標(biāo)位置、一定距離部署好固定標(biāo)簽，使固定標(biāo)簽信號(hào)能覆蓋應(yīng)用場(chǎng)景，然后將讀寫器通過RS-232串口與定位服務(wù)器連接。移動(dòng)標(biāo)簽在應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行移動(dòng)。

（2）設(shè)備初始化：打開有源RFID移動(dòng)標(biāo)簽與有源RFID固定標(biāo)簽、有源讀寫器的電源，分別進(jìn)行I/O、RF、RTC2初始化。

（3）發(fā)送功率：固定標(biāo)簽進(jìn)行初始化之后，定期發(fā)射-18dBm、-12dBm、-6dBm和0dBm的功率射頻信號(hào)功率值。

（4）接收功率：移動(dòng)標(biāo)簽按照設(shè)定的時(shí)間周期輪詢接收各個(gè)固定標(biāo)簽發(fā)送的射頻信號(hào)功率值，并將其封裝成數(shù)據(jù)幀后發(fā)送給讀寫器。

（5）讀寫器：讀寫器接收移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，通過RS-232串口與定位服務(wù)器通信，將數(shù)據(jù)幀傳輸給定位服務(wù)器。

（6）定位服務(wù)器：接收讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行解析，然后采用基于RSSI定位方法的三角形加權(quán)質(zhì)心算法計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽的坐標(biāo)位置，完成實(shí)時(shí)定位、歷史數(shù)據(jù)顯示、軌跡回放3大功能。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 定位算法設(shè)計(jì)

三角形加權(quán)質(zhì)心算法的中心思想是：移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和所有參與定位的固定標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息點(diǎn)圍成幾何多邊形，計(jì)算多邊形的質(zhì)心坐標(biāo)作為自己的估計(jì)位置。其具體計(jì)算流程為：固定標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)向移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)射射頻信號(hào)功率值，根據(jù)RSSI定位方法計(jì)算出移動(dòng)標(biāo)簽與固定標(biāo)簽的距離，并且記錄發(fā)射射頻信號(hào)功率值的固定標(biāo)簽ID和位置坐標(biāo)。當(dāng)移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在接收到固定標(biāo)簽發(fā)送過來的射頻信號(hào)功率值的數(shù)量超過移動(dòng)標(biāo)簽設(shè)置的門限參數(shù)值后，認(rèn)為該移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與發(fā)射信號(hào)功率值的固定標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)兩者之間處于連通狀態(tài)，移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)將自身坐標(biāo)信息點(diǎn)和處于連接狀態(tài)的固定標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息點(diǎn)圍成多邊形，再將多邊形分割為n個(gè)三角形，計(jì)算每個(gè)固定標(biāo)簽的權(quán)值（通過權(quán)值來體現(xiàn)固定標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)對(duì)質(zhì)心位置決定權(quán)的大小），最后求出n個(gè)三角形的質(zhì)心坐標(biāo)信息點(diǎn)M1（X1，Y1），M2（X2，Y2），M3（X3，Y3）…Mn（Xn，Yn），并計(jì)算所有坐標(biāo)信息的平均值，作為移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)M（X，Y）。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

2.2 定位模塊硬件設(shè)計(jì)

定位模塊硬件主要分為兩部分：一是讀寫器，二是標(biāo)簽。標(biāo)簽具體可分為固定標(biāo)簽和移動(dòng)標(biāo)簽。讀寫器的硬件由MCU（微控制器）、串口電路、射頻收發(fā)模塊、天線和電源5部分構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在讀寫器的硬件結(jié)構(gòu)中，射頻收發(fā)模塊連接天線后接收移動(dòng)標(biāo)簽傳輸過來的射頻信號(hào)功率值，接口電路對(duì)功率值進(jìn)行放大、濾波等處理，再由SPI接口發(fā)送給MUC進(jìn)行解碼、糾錯(cuò)等處理，最后將功率值通過串口發(fā)送給定位服務(wù)器。

移動(dòng)標(biāo)簽和固定標(biāo)簽由電源供電模塊、射頻收發(fā)模塊和微控制器模塊3部分構(gòu)成，標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

微控制器MCU是移動(dòng)標(biāo)簽、固定標(biāo)簽的核心部分，它控制讀寫器與標(biāo)簽之間的通信協(xié)議，射頻收發(fā)模塊主要完成功率值的接收與發(fā)送，有源RFID固定標(biāo)簽通過射頻收發(fā)模塊發(fā)射射頻功率信號(hào)值，并形成一定區(qū)域的磁場(chǎng)圈，有源RFID移動(dòng)標(biāo)簽通過射頻收發(fā)模塊接收固定標(biāo)簽發(fā)送的功率值，并發(fā)送給讀寫器。

2.3 定位模塊軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括固定標(biāo)簽、移動(dòng)標(biāo)簽和讀寫器的程序設(shè)計(jì)。移動(dòng)標(biāo)簽主要完成與固定標(biāo)簽之間的相關(guān)通信，其周期性地接收固定標(biāo)簽發(fā)射的射頻信號(hào)功率值，并形成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給讀寫器。讀寫器接收數(shù)據(jù)幀后發(fā)送給定位服務(wù)器，定位服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行讀取、解析，采用基于RSSI定位方法的三角形質(zhì)心加權(quán)算法計(jì)算位置坐標(biāo)完成定位。固定標(biāo)簽、移動(dòng)標(biāo)簽、讀寫器三者間的通信流程如6所示。

數(shù)據(jù)傳輸是定位模塊的關(guān)鍵部分，數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)計(jì)對(duì)患者跟蹤定位模塊獲取正確數(shù)據(jù)進(jìn)行定位起到關(guān)鍵性作用。數(shù)據(jù)幀由幀頭、移動(dòng)標(biāo)簽ID、固定標(biāo)簽ID、對(duì)應(yīng)的固定標(biāo)簽發(fā)射功率值組成，數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)如表1所示。

（1）有源RFID固定標(biāo)簽程序設(shè)計(jì)。有源RFID固定標(biāo)簽程序設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)設(shè)置、初始化、發(fā)送射頻信號(hào)功率值3部分。參數(shù)設(shè)置包含數(shù)據(jù)發(fā)送地址、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、發(fā)送地址長(zhǎng)度等設(shè)置，初始化主要包括：I/O、RF、RTC2等初始化。

（3）讀寫器程序設(shè)計(jì)。讀寫器主要接收移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并通過串口發(fā)送給定位服務(wù)器。有源RFID讀寫器程序設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)設(shè)置、初始化、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置包含接收地址、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、NVN存儲(chǔ)區(qū)域等設(shè)置，初始化主要包括：I/O、RF、RTC2初始化。

2.3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件使用C#編寫，主要包括3個(gè)功能：①實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)顯示（移動(dòng)標(biāo)簽坐標(biāo)）；②歷史數(shù)據(jù)顯示，可以判斷移動(dòng)標(biāo)簽近段時(shí)間內(nèi)的活動(dòng)場(chǎng)所；③軌跡回放圖，將移動(dòng)標(biāo)簽活動(dòng)的位置信息繪制出來，從軌跡圖中可以直觀了解移動(dòng)標(biāo)簽的活動(dòng)區(qū)域。上位機(jī)軟件流程如圖8所示。

（1）定位服務(wù)器接收讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，判斷數(shù)據(jù)幀的幀頭是否是‘H1，然后判斷數(shù)據(jù)幀的有效長(zhǎng)度。

（2）采用基于RSSI定位方法的三角形加權(quán)質(zhì)心算法計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。根據(jù)RSSI定位方法，首先將接收到的射頻信號(hào)功率值轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)信息點(diǎn)。所有的坐標(biāo)信息點(diǎn)可以組成一個(gè)不規(guī)則的n邊形，將多邊形分割為n個(gè)三角形，然后再根據(jù)三角形加權(quán)質(zhì)心算法計(jì)算出移動(dòng)標(biāo)簽的坐標(biāo)位置。

（3）得到位置坐標(biāo)信息后，在上位機(jī)軟件添加地圖，設(shè)置好地圖背景，完成創(chuàng)建畫筆對(duì)象和設(shè)置畫筆屬性一系列操作后，將移動(dòng)標(biāo)簽的位置坐標(biāo)信息繪制在地圖上，實(shí)現(xiàn)定位功能。

（4）創(chuàng)建一個(gè)集合對(duì)象，將繪制在地圖界面上的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在集合中。對(duì)集合進(jìn)行遍歷，獲取所有的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)，重復(fù)第4步操作，將所有的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)繪制在地圖上，然后用創(chuàng)建好的畫筆對(duì)象將坐標(biāo)信息點(diǎn)之間相連，得到患者的軌跡圖，實(shí)現(xiàn)軌跡回放功能。

（5）將讀寫器傳輸過來的移動(dòng)標(biāo)簽號(hào)ID、對(duì)應(yīng)發(fā)送的固定標(biāo)簽ID及其發(fā)送的射頻信號(hào)功率值、三角形加權(quán)質(zhì)心算法計(jì)算出的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)要獲取歷史數(shù)據(jù)，可以根據(jù)存儲(chǔ)的定位信息來完成歷史數(shù)據(jù)的顯示功能。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

結(jié)合有源RFID技術(shù)的功能、開發(fā)技術(shù)，以及室內(nèi)無線定位系統(tǒng)的具體功能，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，其主要包括設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的主要教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握C#語(yǔ)言編程，以及有源RFID的基本操作功能；綜合型實(shí)驗(yàn)的主要教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握室內(nèi)無線定位系統(tǒng)下位機(jī)、上位機(jī)相關(guān)功能的程序設(shè)計(jì)，以及有源RFID技術(shù)的綜合應(yīng)用。主要實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如表2所示。

目前，基于指紋技術(shù)、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)的無線網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位技術(shù)正在進(jìn)行大量研究，因此該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還可作為科研平

臺(tái)使用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以RFID技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)室內(nèi)無線定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)功能需求進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并探討了該系統(tǒng)在科研方向的應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)培養(yǎng)RFID領(lǐng)域的研究設(shè)計(jì)型人才具有重要作用。

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（責(zé)任編輯：黃 健）

英文摘要Abstract：Based on RFID technology，the indoor wireless positioning experiment teaching system is designed.The system consists of four parts including active RFID fixed tags，active RFID mobile tags，active RFID reader，positioning server.The fixed label of RFID regularly transmits the radio frequency power signal value of the -18dBm，-12dBm，-6dBm and 0dBm.The RFID mobile tag periodically receives the RF power signal value sent from the fixed tag and encapsulates the data frame into the active RFID reader.The RFID reader sends the data frame to the location server via the RS-232 serial port.The positioning server adopts the triangular weighted centroid algorithm based on the RSSI localization method to locate the position and display the position coordinate information of the moving tag in real time.In view of the system design，the experimental function of the system is analyzed，and the experimental teaching content，which involves both design experiment and integrated experiment，is proposed according to this experimental system.Furthermore the application of the system in scientific research is discussed.The experimental system plays an important role in the cultivation of research design talents in the field of RFID.

英文關(guān)鍵詞Key Words：RFID； Indoor Wireless Location； Experimental Teaching System； RSSI； Triangle Weighted Centroid Algorithm