一種基于RFID和ZigBee技術的局域定位系統

張穎，楊臻

（上海海事大學 信息工程學院，上海 201306）

隨著物聯網的研究和無線傳感網絡技術迅速發展，ZigBee技術[1]作為一種新興的低成本、低功耗、低速率短距離的無線傳感網絡技術，它是基于IEEE802.15.4[2]標準開發的無線協議。IEEE802.15.4負責物理層和MAC層，而ZigBee聯盟負責制定網絡層和應用層。利用ZigBee技術實現定位具有低成本、低功耗的優點，且信號傳輸不受視距的影響，被廣泛的應用于環境監測、工業現場采集、智能家居和醫療護理等領域。

RFID （Radio Frequency Identification，射頻識別）是利用射頻信號通過空間融合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息到達自動識別目的的技術[3]。射頻識別卡的優點就在于它的非接觸性，因此它在完成識別工作時無須人工干預，適于實現自動化、可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡，操作快捷方便。RFID技術是一個嶄新的技術應用領域，它不僅涵蓋了射頻技術，還包含了射頻技術、密碼學、通信原理和半導體集成電路技術，是一個多學科綜合的新興學科。因此，對RFID技術的認識和研究具有深遠的理論意義。

目前實現室內定位主要有基于測距技術和非測距技術，基于測距的定位算法有AOA、TOA、TDOA、RSSI；基于非測距技術的定位算法主要有：DV-Hop定位算法、質心算法、凸規劃定位算法等[4]?；跍y距的定位機制定位精度相對較高，在低功率無線設備組成的高密度網中，由于各設備之間的同步無法實現，利用AOA、TDOA估計具體難以實現。盡管可以通過測量TOA來估計距離，但是多徑和噪聲，以及參考時鐘的不精確性，都將使距離估計的效果變差；基于非測距的定位算法無需測量節點間的絕地信息和角度信息，是利用網絡連通性計算節點的位置，但是定位精度低。而基于RSSI的距離估計，可以由傳感器節點自身測量得到，不需要額外的硬件支持。與單純利用連通信息的算法相比，RSSI增添了額外的有價值的信息。所以基于RSSI的測距是無線傳感網絡較常用的方法。本人通過基于RSSI的測距技術，采用RFID和ZigBee技術相融合的室內定位系統設計，有效的提高了室內的定位精度，以及實現了房間級的定位。

1 定位系統的整體設計

本系統的設計有5個部分組成，包括上位機、網關、基站、電子標簽、參考節點。上位機的功能是監控和管理整個系統。定位系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 定位系統的結構圖Fig.1 Structure diagram of positioning system

網關的功能是由協調器來充當，它在整個系統中起著至關重要的左右，首先它要響應上位機發出的命令，開啟網絡，等待其他類型的節點入網，其實還要接收各節點的上傳的數據并傳送給上位機軟件處理?；臼怯蒢igBee模塊和RFID Reader模塊組成，它們之間通過RX/TX進行數據的傳輸，基站的功能是在定位過程中接收上位機發送過來的消息，以調制的方式形成射頻信號，通過天線不斷的向外發送射頻信號；其中的ZigBee模塊也可以作為參考節點的作用，能夠將自身的坐標信息和RSSI值發送給盲節點。電子標簽是由ZigBee模塊和RFID Tag模塊組成，它們直接是通過SPI接口連接起來的。其功能是接收基站發送過來的射頻信號，經過解調和解碼后，將數據通過SPI方式傳送給ZigBee模塊，ZigBee模塊再通過無線的方式發送到網關。ZigBee模塊還有另外一個作用，就是作為盲節點，可在參考節點包圍的區域內任意移動。它與參考節點、網關構成一個定位系統。參考節點僅只有一個ZigBee模塊組成，它是一類靜止的、已知自身位置坐標信息的節點，其功能是將自身的RSSI值和位置坐標信息發送給盲節點。

2 定位系統的硬件設計

2.1 網 關

網關的設計包括2個部分，即無線通信模塊和輔助功能模塊。其中無線通信模塊是這個網關的核心部分，負責跟基站、電子標簽以及參考節點等之間進行通信。輔助功能模塊是完成定位串口通信、狀態指示、LCD的顯示、供電等輔助功能。網關的結構框圖如圖2所示。

圖2 網關的結構圖Fig.2 Structure diagram of gateway

2.2 基 站

基站的設計包括2個部分，RFID Reader模塊和ZigBee模塊。其中RFID Reader模塊主要是由PIC16F887的微控制器和匹配電路組成。RFID Reader模塊和ZigBee模塊兩者之間通過RX/TX進行數據傳輸。基站的結構框圖如圖3所示。

圖3 基站的結構圖Fig.3 Structure diagram of base station

上位機發送命令，網關將激勵器ID等信息無線發送給基站中的ZigBee模塊，ZigBee模塊通過RX/TX將激勵器ID等信息發送給微控制芯片PIC16F887處理，微控制芯片通過輸出PWM信號，產生頻率125 kHz的載波，并將激勵器ID等信息以OOK調制方式調制在125 kHz載波上形成激勵信號，其中的數據編碼是通過曼徹斯特編碼，然后經過驅動器TC4422的功率放大作用，通過天線不斷的向外發送125 kHz的激勵信號。當有RFID Tag模塊接近該區域時即被喚醒，微控制器通過控制片選信號CS，將數據通過曼徹斯特碼的形式發送給RFID Tag模塊。ZigBee模塊既可以與RFID Reader進行數據傳輸，還可以作為參考節點，將自己的坐標信息和RSSI值發送給電子標簽中的盲節點。

2.3 電子標簽

電子標簽的設計包括RFID Tag模塊和ZigBee模塊。其中RFID Tag模塊主要是由AS3933前端模擬芯片和匹配電路組成，ZigBee模塊是由射頻芯片CC2530和匹配電路組成。它們之間通過SPI接口進行數據傳輸。CC2530通過SPI接口配置AS3933，詳細的引腳連接如圖4所示。

圖4 RFID標簽模塊與ZigBee模塊的引腳連接圖Fig.4 Connection diagram of pins between tag module and ZigBee module

RFID Tag模塊接收基站發送過來的125 k的激勵信號，再通過AS3933芯片對激勵信號解調，并對曼徹斯特碼進行解碼后，通過配置SPI總線的相關寄存器，當WAKE的電平為“1”時，說明有數據到來，ZigBee模塊中的CC2530將數據從AS3933中的DATA中讀出，并打包后，通過天線將數據包無線發送給網關，最后送到上位機機進行處理，上位機根據激勵器ID和電子標簽ID判斷，可以知道電子標簽在某個激勵器所在位置，ZigBee模塊既與RFID Tag模塊進行數據傳輸，還可以作為盲節點，不斷的向參考節點發送定位請求，從而，獲取參考節點的坐標信息和RSSI值，再通過調用定位算法，計算出自己的坐標信息和RSSI值，無線發送給網關，最后將數據發送給上位機，根據坐標信息可以知道電子標簽的位置。通過RFID Tag模塊與ZigBee模塊相互配合，能夠實現更精確的區域定位和房間級定位。

2.4 參考節點

在該設計中，有單獨的參考節點模塊以及基站上的ZigBee模塊也可以作為參考節點。參考節點的設計包括2個部分，分別為無線通信模塊和輔助功能模塊。參考節點中的無線通信模塊接收網關發送過來的參數配置；收集盲節點通信時的RSSI值，并計算其平均值；能夠發送自身的坐標信息和RSSI的平均值。輔助功能模塊包含3個部分，分別是指示模塊、按鍵模塊、供電模塊。指示模塊是完成定位狀態的指示；按鍵模塊是加入和綁定網絡；供電模塊是負責對整個參考節點的供電。參考節點的結構框圖如圖5所示。

圖5 參考節點的結構圖Fig.5 Structure diagram of reference nodes

3 定位系統的定位流程

定位系統的基本思想就是系統對網絡內的參考節點和盲節點節點進行參數配置之后，盲節點等待網關發送定位請求，當盲節點接收到網關發送來的定位請求后，就開始發送一系列的RSSI Blast信息進行廣播，參考節點接收到盲節點發送過來的RSSI Blast數據，并保存其RSSI值。等待盲節點已配置完成規定的時間間隔后，盲節點向參考節點發送XYRSSI請求廣播，每個接收到RSSI Blast信息廣播的參考節點將計算接收到的RSSI值，并根據該請求的RSSI值和之前的RSSI Blast的RSSI值計算出平均值，發送XY-RSSI響應給盲節點，盲節點接收XY-RSSI響應后，參考節點將向盲節點發送自己的坐標信息和RSSI值。盲節點收到這些參數后，根據定位算法計算出自己的坐標信息，最后將計算得到的坐標信息發送給網關，網關再通過串口將數據發送到PC機上。定位系統的定位時序[8]如圖6所示。

圖6 定位系統的定位時序Fig.6 Time sequence of localization in positioning system

4 實驗結果分析

定位軟件設計后，搭建硬件平臺，采用810的實驗室房間進行定位。紅色的圓形點代表固定的參考節點位置，黃色正方形點代表電子標簽的實際位置，粉色的長方形代表放置在基站，藍色色三角形代表使用上位機監控軟件監測到的位置。我們在房間內放置四個參考節點，坐標分別為（0，0）、（0，5）、（5，0）和（5，5），圍成一個 55 的區域，并記錄電子標簽的坐標位置；定位圖像如圖7（a）所示。保持電子標簽點不動，再增加一個參考節點，再次記錄坐標；定位圖像如圖7（b）所示。繼續保持電子標簽不動，在房間的門口增加一個基站。最后記錄其坐標。定位圖像如圖7（c）所示。

圖7 圖像顯示的定位實驗Fig.7 Positioning experiments indicated by pictures

在沒有增加基站的條件下，通過觀察圖 7（a）、7（b）的定位圖像，可以發現隨著參考節點的增加，上位機監測到的測量值越來越接近實際值，所以在一定的范圍內，隨著參考節點的增加會提高定位的精度。在相同參考節點下，在房間的門口增加一個基站，觀察圖7（c）的定位圖像，發現上位機監測到的測量值要比圖7（b）中監測到的測量值更接近于實際值。由于基站上既有RFID Reader，還有參考節點。所以不僅能提高定位精度，而且還能確定電子標簽的具體位置。這說明通過RFID與ZigBee兩者很好的結合，可以很好的提高房間區域的定位精度，而且實現了房間級的定位。

5 結束語

文中主要從硬件設計介紹了一種基于RFID和ZigBee技術相融合的室內定位系統的設計方案，對定位系統的硬件各個功能模塊進行詳細的介紹，并對定位系統軟件流程進行了分析。通過合理布設參考節點和基站，在室內環境中進行了實測，在定位模塊通信范圍內，通過增加參考節點的數量以及增加基站等有效方式，可以有效的提高定位的精度。通過實驗證明，通過RFID和ZigBee技術相融合的設計方案，不僅可以達到1m之內的定位精度，還實現了室內房間級的定位。該方案的硬件設備要求低、定位精度高的特點，很好地滿足了市場需求。采用基于ZigBee和RFID的室內定位系統的設計方案可以很好的應用在智能樓宇、地下車庫、醫療護理等方面。

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