基于RFID技術的實時電子地圖設計與實現

江靜煒 余強 趙佳

摘要：隨著電子技術的發展，基于RFID技術的定位系統在旅游景區、倉庫管理系統中得到了廣泛應用。在室內利用RFID讀卡器通過總線方式與上位機進行通信，構成一個室內局域網絡，RFID讀卡器通過讀取RFID標簽的數據，根據通信的信號強弱來確定RFID標簽的位置，并通過GIS系統在上位機上對RFID標簽的地理位置和標簽信息進行展示。研究表明，該設計方案能夠不依賴衛星定位系統，對在其通信范圍內的設備進行定位、管理，并為其它應用提供地理位置信息支持，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：RFID技術；GIS系統；實時定位

DOIDOI：10.11907/rjdk.161607

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0076-03

0 引言

RFID 是利用無線通信技術，在非物理接觸的情況下實現對進入射頻范圍內的目標進行讀寫。RFID具有存儲量大、抗干擾性強、能多次讀寫、使用壽命長等特點[1]。RFID技術不僅可以應用于門禁系統，還可以通過多個RFID閱讀器利用總線的方式進行連接，構建一個局域網，對在射頻范圍內的目標進行讀取，根據信號的強弱來對目標進行定位。目前，基于RFID技術的定位系統在很多領域得到了廣泛應用。本文通過RFID技術，結合GIS系統，實現了室內目標定位功能，使其可以在衛星信號微弱的環境中，實現目標定位。

1 相關技術簡介

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是一種可以在無人情況下進行目標對象識別的無線識別技術[2]。通過目標物體內置的芯片標簽，可以將信息連接到計算機網絡中，用以進行目標的識別、追蹤以及確認目標對象所處的狀態。RFID定位系統主要由RFID電子標簽、天線、RFID讀寫器以及計算機等部分組成。RFID電子標簽又分為主動式標簽、被動式標簽與半主動式（半被動式）標簽3類，其中主動式電子標簽的讀寫距離長，自帶內存較大，能夠提供讀寫器傳來的額外信息的存儲空間，但能耗和成本較高，而被動式的電子標簽由于其能耗低且成本不高，也不需要額外提供電源，因此得到了廣泛應用。RFID讀寫器既能夠通過天線發射無線載波信號，也能夠接受電子標簽所發出的電磁信號。RFID讀寫器所接受到的信息可以接入計算機網絡，并通過網絡傳給控制中心。

網絡地理信息系統（Web Geographic Information System，WebGIS）通過互聯網對空間數據進行發布和應用，以實現空間數據的共享和互操作，如GIS信息的在線查詢和業務處理等。WebGIS客戶端使用Web瀏覽器，如IE、FireFox、Chrome。WebGIS是利用Internet技術來擴展和完善GIS的一項新技術，其核心是在GIS中嵌入HTTP標準的應用體系，實現Internet環境下的空間信息管理和發布。其本質是一種瀏覽器/服務器（B/S）結構，服務器端向客戶端提供信息和服務，瀏覽器（客戶端）具有獲得各種空間信息和應用的功能。WebGIS的主要作用是進行空間數據發布、空間查詢與檢索、空間模型服務、Web資源組織等[3-4]。

當前主流GIS軟件的開發方式是在商業的GIS軟件平臺之上進行二次開發，以滿足實際應用需求。但是商業GIS平臺結構復雜、費用高、功能固定、擴展性較差，難以滿足中小型GIS應用軟件的要求，而開源GIS軟件平臺經過多年的發展已逐步成熟，甚至一些產品在性能上能夠與商業GIS平臺相媲美，在實際項目中的應用也逐漸廣泛，而且其開源、免費、可定制功能等特性有利于與其它信息系統進行功能上的融合與擴展。因此，實時GIS室內定位系統可以使用開源的GIS平臺，目前的開源GIS軟件大多遵循開放地理空間信息聯盟（Open Geospatial Consortium，OGC）所制定的規范。

通過RFID系統可以對目標對象進行實時監控與跟蹤，其系統結構如圖1所示。

電子標簽被貼在目標對象上用以唯一標識該對象，RFID讀寫器首先通過天線發射出電磁信號，當目標對象進入RFID讀寫器的識別范圍內，其中的電子標簽便將自身信息也通過無線電發送給讀寫器，讀寫器可以通過計算機網絡將電子標簽的信息送往服務器。由RFID系統采集到的實時信息能夠存儲在數據庫中，作為WebGIS電子地圖展示的數據基礎，WebGIS按照Web三層體系架構進行設計，實現定位的目標對象位置在室內電子地圖中的實時更新顯示。

2 實時GSI電子定位系統設計

2.1 GIS定位系統簡介

整個實時GIS定位系統設計按照Web三層體系架構進行設計，使用開源的WebGIS解決方案。系統分為數據層、業務邏輯層、展示層[4]，其系統框架如圖2所示。

其中，數據層的數據是將室內的CAD圖紙使用ESRI ArcGIS進行格式轉化，并使用Udig清理無用的地圖元素之后得到的一系列ESRI Shapefile 地圖數據源，也可以將其導入PostGis空間數據庫中。業務邏輯層主要處理定位數據和地圖數據，通過GeoTools工具集將Shapefile數據源導入到Geoserver中，通過Geoserver將電子地圖通過WMS的方式發布出來，同時RFID定位服務所得到的原始數據也在該層得到近似處理。展示層使用常用的Struts和AJAX引擎相結合的方式將業務邏輯層中的數據通過JSON的數據格式進行傳輸與存儲，同時采用開源的Openlayers進行各類圖像符號與地圖的展示。

2.2 數據庫設計

RFID定位服務需要使用到的數據主要有RFID電子標簽、RFID近距離讀寫器、分別綁定的目標對象。通常情況下，人員是移動著的，而物品是固定的，因此將人員與RFID電子標簽進行綁定而將物品與RFID讀寫器綁定。由此設計出tab_RFIDTag、tab_RFIDReader、tab_user、tab_object、tab_temp_record和tab_log_record共6張基本表，各數據表的詳細信息分別如表1～表6所示。

其中，tab_temp_record表中的數據是實時更新的，而tab_log_record表中的數據是作為日志記錄增量追加的。

由于人員與標簽、物品與讀寫器、讀寫記錄與標簽以及讀寫記錄與讀寫器之間存在著約束關系，因此使用外鍵對這幾個關系進行約束[5]。

2.3 RFID技術與GIS系統結合方案

目前，射頻技術行業將讀寫器劃分為3個頻段：低頻（125～134KHz）、高頻（13.56MHz）、超高頻（860～960MHz），頻段選擇依據該頻段下電磁波的傳輸特性，其直接決定了讀卡系統的工作原理（電感耦合和電磁耦合），還決定了射頻識別的距離以及相應讀卡器的制作難度和成本。

射頻技術的發展使得單一頻段的讀卡器已遠遠不能滿足實際系統的要求，本系統中如果只使用單一低頻段的讀寫器，雖然單個讀寫器成本低，但是考慮到室內大面積范圍內的精確定位，需要布置多個點位的低頻讀寫器，反而會使得成本升高；如果只使用單一高頻段的讀寫器，雖然單個讀寫器的射頻識別距離提高了，需要的讀寫器少了，但是并不能達到精確定位的目的?？紤]到成本和定位精確度，本系統的RFID讀寫器同時采用低頻與超高頻的兩種讀寫器，低頻段的讀寫器稱為喚醒源，因為其識別標簽的距離為0.5～1m，當目標物品靠近時才會將其喚醒，實際上是向其發送信息，而超高頻段的為遠距離被動的以太網讀寫器，它主要負責接收4～6m內所有喚醒源主動對其發送自己所收集到的所有標簽信息。RFID標簽的識別是整個系統中最基礎也最核心的部分，由于需要實時地對RFID電子標簽進行識別，因此需要一個定時器每隔一段時間就對RFID讀寫器所能識別的最大范圍內的所有RFID標簽進行識別。該模塊流程如圖3所示。

目的地址為RFID讀寫器獲取到的數據所要上傳的設備的IP地址，例如監控電腦終端的IP地址。目的端口指接收終端用來接收數據的網絡端口，可設定在1～65 535范圍內，該端口設定前需確認其沒有被其它進程所占用。

地圖數據包含電子地圖的底圖與RFID定位服務所產生的定位數據兩部分。底圖數據是通過原始CAD圖紙進行格式轉化和線條清理而得到，再通過Udig進行樣式編輯。

Udig是一個遵循OpenGIS標準規范的開源桌面應用程序框架，構建于Eclipse RCP和GeoTools（一個開源的Java GIS工具包）上的桌面地理信息系統，是一個開源的空間數據查看器與編輯器，可以進行Shapefile格式的地圖文件編輯和查看。在Udig中經過處理最終得到的地圖底圖如圖4所示，從圖中可以看到它由5張不同的圖層所組成，各個圖層的顏色不同，由于地圖發布時樣式為可選項，因而可以將各個圖層的樣式文件導出以保證該底圖與最終發布顯示的底圖樣式一致。

定位服務所產生的數據形如的三元組，其中，通過readerID可以唯一確定喚醒源（低頻RFID讀寫器）的位置即它在地圖底圖上的x、y坐標，因為這是布置設備時就確定的，如果其狀態是“已用”，則將其識別出的標簽在底圖上描繪出來，由于受溫度、濕度、電磁場周圍環境等因素影響，其精度在0.8～1.2m。布置點位時考慮到硬件的客觀條件，因此在以喚醒源為圓心，半徑為1.5m的范圍內只布置一個喚醒源，保證一個標簽只能被一個喚醒源所識別，描繪標簽時隨機地在底圖上以喚醒源（x，y）為圓心，以按長度1.5m經比例尺換算過后的長度為半徑的圓內隨機描繪識別出的標簽。

地圖使用開源的GIS服務器geoserver進行發布，發布方式為WMS（Web Mapping Service），由于底圖由多個圖層所構成，因此發布出來的是一個圖層組，而不是單個圖層。Shapfile 數據源由多個*.shp文件組成，每個文件代表一個圖層，各圖層又分別對應一個*.sld的樣式文件。圖層組發布的一般步驟為：①新建工作區；②新建數據存儲；③應用樣式文件；④填寫對應的地理參考坐標系并計算邊界；⑤發布圖層；⑥新建圖層組，加入所需圖層；⑦發布圖層組。圖層組中每個圖層的參考坐標系都應該一致，否則發布出來的底圖會顯示不正常。

地圖中除顯示整個全局區域的底圖外，還應該有標識各區域空間的符號元素，例如衛生間、電梯等。通過Openlayers，可以在瀏覽器中描繪出各圖像符號并且能夠實現瀏覽、漫游與縮放地圖等操作。

3 實時GSI電子定位系統實現

3.1 系統運行環境配置

3.2 系統運行效果

射頻識別模塊使用C#進行程序設計，數據庫采用Sql Server 2008，布置好RFID相關設備和網絡環境后，點擊開始即可開始識別。

WebGIS模塊使用Ajax引擎和struts框架，定期從表tab_temp_record中讀取數據，并用JSON的數據格式傳遞給前臺頁面，前臺頁面再使用Openlayers在底圖上進行標簽的描繪從而實現實時的人員監控功能。同時喚醒源也是與相應物品綁定的，因此也可以實現相應的物品定位功能。

4 結語

本文通過在監測區域將多RFID閱讀器利用RS485總線連接構成一個局域網，RFID閱讀器通過無線的方式獲取目標RFID標簽的地理位置信息和標簽信息并通過總線網絡傳給上位機，在應用層采用GIS技術將RFID閱讀器傳送的信息在地圖上進行展示，實現對檢測區域的目標定位及檢測功能，使工作人員能夠非常直觀地查看目標位置信息，并為工作人員決策提供依據。

參考文獻：

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[2]陳大才.王卓人.射頻識別（RFID）技術[M].北京：電子工業出版社，2001.

[3]李會萍.基于RFID和GPS技術的數字物流車載終端系統研究[D].南寧：廣西大學，2007.

[4]張加龍，趙俊三，饒智文.基于GIS/GPS/GPRS的物流車輛監控系統[J].測繪與空間地理信息，2006（5）：72-75.

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[6]肖慎勇.SQL Server數據庫管理與開發[M].北京：清華大學出版社，2006.

（責任編輯：孫 娟）