基于RFID技术的无线定位系统

摘要：RFID是一种非接触式自动识别技术，它的应用非常广泛。SpotON系统、LANDMARC系统都是基于RFID的无线定位系统。文章介绍了RFID用于室内定位的4种不同的定位模式，同时介绍了采用RFID技术来简化对WLAN基础设施进行管理的思科无线定位解决方案。该解决方案可从WLAN基础设施内部跟踪数千个无线设备，从而简化WLAN管理，有效提高网络扩展性。
关键词：无线射频识别；定位技术；无线网络；物联网

0 引言
    RFID(Radio Frequency Identification)即无线射频识别，又称电子标签。RFID是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。因此，RFID是一种非接触式自动识别技术，可以快速读写、长期跟踪管理，因而在智能识别领域有着非常好的发展前景。同时，随着物联网技术在我国的快速发展，作为物联网支撑技术的RFID技术被认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一。未来几年中，将有更多的产品中会被植人RFID标签，RFID技术的应用将会是相当的广泛。
    定位服务是非常受到人们青睐和重视的一项技术。目前，人们比较熟知的定位服务是GPS(全球定位系统)，而越来越多的其它无线网络技术也开始进入定位服务这一领域，例如GSM手机定位、Wi-Fi定位、RFID定位、ZigBee定位、蓝牙定位等。而RFID技术的广泛使用，使得在室内定位上，RFID定位已经具有很大的优势。

1 SpotON系统
    第一个使用RFID技术作为室内定位系统的是SpotON，在这个定位系统中，SpotON以聚集演算法计算收集到的信号强度。在SpotON方法中，未知物体的定位并没有经过系统中央集中管理的过程，而是由其它的硬件规格相同的感知点以分散式计算的方式来完成的。这些分散在感知环境中的感知点会将其收到的信号强度资料收集起来并反馈，最后以定位演算法计算出未知物体的预测位置。
    在SpotON系统中的定位方法，就是利用RFID读取器和许多感应标签，构建一个有一定范围的室内无线传感网络环境，相对于环境底下的许多感应标签，分别针对环境中的某一个未知坐标的追踪物件，做相对信号强度的计算。这个计算可由RFID读取器端收到的未知坐标物与感应标签之间相对的信号强度资料，透过中间软件系统加以分析，最终通过分析资料推算出该未知追踪目标的位置。同时，在收集信号强度的过程中，该定位方法还引入了信号衰退模型来估算信号强度，所以期待所收集的信号强度数据能够更加精确。

2 LANDMARC系统
    LANDMARC是利用RFID技术进行定位的一个效果不错的系统，与SpotON相比，LANDMARC系统在硬件环境上使用了有较大读取范围和回应能力的主动式感应标签作为实际过程中的标签硬件规格。另外，在算法上，采用LANDMARC方法，能修正传统定位上的一些盲点。由于实际针对各种定位系统的情况进行了不同的研究，因此，LANDMARC方法所计算出来的定位数据的可靠性大大增强了。
    LANDMARC系统在实际使用中，提出了一种整体的定位演算法，这种定位演算法除了使利用RFID设备用于定位上的准确率更高之外，在产业技术的进步与牛产成本的降低上，对于室内定位的应用而言，该系统也具有更大的价值与商机。

3 RFID技术的4种定位模式
    虽然RFID技术可应用于室内的定位，但由于室内环境摆设复杂、精密度要求高，所以，室内定位系统在实际使用过程中非常困难，包含信号强度收集、资料库建立、定位演算法、如何正确取得来自各个RFID读取器的信号资料、RFID读取器与RFID标签应该如何摆设以提高系统定位的正确性、如何经由估算的方式来降低定位系统的建立成本，以及收到相关信号资料后如何转换为位置咨询等。
    目前，在无线网络环境下进行定位服务的定位模式有信号强度法、收信角度法、收信时间、收信时间差等4种。
3．1 信号强度法定位技术
    信号强度法(Received Signal Strength，RSS)就是利用通道传播模型去描述路径损耗对于距离的衰减情况。如果利用这个信息进行定位，那就必须事先构建该环境的传播损失模型，只有这样，才能通过信号强度的衰减来判断移动物与固定物之间的距离。移动物位置应该位于以固定物为圆心，以预估距离为半径的圆上，所以，必须至少要有3个固定物，方能进行定位。由于无线电在室内传播会呈现出多重路径干扰衰减以及屏蔽效应，这些因素会造成接收信号强度与自由真空中传播结果的很大差异，从而使预估的传播距离产牛误差，这样的话，移动物的预估位置就不会与前面的计算交于一点，而会落在一个预估区域内。
3．2 收信角度法定位技术
    收信角度法(Angle of Arrival，AOA)定位系统的工作原理是利用具有方向性的天线或天线阵列来判断主动式标签信号可能的来源方向。这个方向在2D平面上可决定出一条以RFID读取器为起点的直线，用两个以上的RFID读取器测量出这个主动式标签的方向，两条以上的直线的交点就是主动式标签的可能位置。
    AOA定位技术目前并非是多数读取器定位系统的主流技术，但将来如果增加读取器智慧型天线设备，并且提高系统的角度解析度，而且，AOA可以在不增加读取器设备的情况下与主动式标签结合，则AOA有可能成为主流的定位技术。
3．3 收信时间定位技术
    收信时间(Time of Arrival，TOA)定位技术采用几何原理，这与信号强度法的几何原理是相同的，唯一不同点是决定圆的半径的参数不是信号强度，而是信号的传播时间。由主动式标签发射到读取器的信号传播时间可知，将信号传播时间乘以传播速度，就可以得到主动式标签到读取器之间的距离。TOA定位可以适用各个距离的定位，它不像AOA定位精确度会随着主动式标签与读取器的距离增加而降低，但因为信号的传播速度非常快，所以，TOA对于时间的敏感度很高，必须十分准确地测量信号实际的传播时间。即使是很细微的时间误差，也会导致真实距离的误差，而且误差可能会很大。
3．4 收信时间差定位技术
    收信时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位技术采用测量信号从基站传播到使用者的时间差以双曲线定位的原理来进行定位。
    该方法使用移动终端对基站进行监听并测量出信号到达两个基站的时间差，每两个基站得到一个测量值，从而形成一个双曲线定位区。这样，三个基站就会得到两个双曲线定位区，通过求解它们的交界点并加上附加条件，就可以得到移动终端的确切位置。TDOA是对TOA的改进，它不是直接利用信号到达时间，并不需要精确的时间同步，因此，定位精度会有所提升。
    TDOA的公式是通过测量移动终端信号分别到多个基站的时间差的关系，然后通过矩阵运算出移动终端的空间坐标X和Y。其方法如下：
    

4 思科的RFID解决方案
    思科(Cisco)的RFID无线定位解决方案能够将智慧拓展到网络的边缘。思科硬件增加了RFID中间件功能，该软件能够装入从边缘交换机到数据中心路由器等多种设备。软件可以收集和过滤在边缘读取到的RFID信息，并在数据中心过滤数据，然后关联数据并建立连接后端应用的桥梁。思科无线定位解决方案是利用Cisco申请专利中的RF指纹技术，直接从WLAN基础设施内部跟踪数千个无线设备，从而简化WLAN管理，有效提高网络的扩展性，并最终改善解决问题的能力，降低运营成本。

5 结语
    随着RFID技术的不断发展以及RFID技术的广泛使用，今后一定会有更多的基于RFID的定位实际应用方案出现，RFID在定位上的应用也会越来越多。特别是在短距离的室内定位方面，和其它无线技术相比，RFID无线定位解决方案在定位方面具有很大的优势。