基于RFID的智能滑雪場定位系統研究

呂國+肖瑞雪+武杰

摘 要：研究根據智能滑雪場的安全管理需求，提出了基于RFID的定位系統，主要功能包括：雪具追蹤調用，工作人員監管和游客安全保障。系統基本硬件包含讀寫器、參考標簽、待定位標簽和后臺計算機，底層編程使用C語言編寫，實時顯示界面使用VB6.0實現。采用修正優化后的LANDMARC算法使系統能實現更為精準穩定的定位功能。

關鍵詞：智能滑雪場；RFID 定位系統；LANDMARC算法

一、技術背景

定位技術目前已廣泛應用于軍事、導航、探險等領域中，GPS、Galileo等技術具有較強的穩定性，且定位精度在幾米以內，正逐漸滲透到商業活動和人們生活的方方面面。隨著社會發展，人們在生活中對導航的需求逐漸集中于小范圍的精確定位，如倉庫、停車場、校園、景區等。紅外線定位技術、超聲波定位技術、藍牙定位技術、Wifi定位技術等都應運而生，其中射頻識別技術又稱RFID（Radio Frequency Identification）技術由于其高頻信號的通信距離超過百米，抗干擾能力強，環境適應性強，被視為最有前景的定位技術之一[1]。隨著冰雪運動的發展和普及，滑雪場的數量和規模在不斷擴大，但管理模式，安全策略等方面都存在改善空間。本研究提出了一種基于RFID的雪場定位系統，可以實現滑雪場內部人員和雪具的智能化管理。RFID射頻識別技術工作過程不需人工干預，具有降強的耐寒耐濕性，可以同時識別多個高速運動的物體，滿足滑雪場的應用需求。

二、系統功能

射頻識別技術（RFID）是指不需要在識別系統與特定目標之間建立直接的機械或光學接觸，借助無線電信號就可以識別目標并實現讀寫相關數據的功能。通過在定位區域分布安裝讀寫器，在被定位目標上安裝電子標簽，可以利用讀寫器與電子標簽之間的通信確定目標位置。在滑雪場內可以為雪具安裝電子標簽，為工作人員和游客提供內置電子標簽的智能手環，在各個室內功能區域和滑雪區安置讀寫器，實現以下系統功能：

（1） 雪具追蹤調用：可以對滑雪場內部的雪具倉庫和雪具進行準確定位，雪具的種類、數量、倉庫儲存量等都可以在后臺準確獲知，查詢雪具進出庫的數據列表，便于采購、清理、維修和調度。如若發生雪具未及時歸庫的狀況，也可以及時定位到遺失雪具的準確位置，便于管理。

（2）工作人員監管：對滑雪場內部的工作人員進行定位監管。在后臺實時了解到工作人員的位置、移動軌跡，提高管理效率。通過軌跡的查詢監督工作人員對滑雪場所有區域進行定時巡邏和檢修，排除安全隱患。

（3）游客安全保障：滑雪場內部根據需求劃分為兒童區、成人區、競賽區等不同區域，通過定位技術保障游客不超出電子圍欄，一旦有超出權限所在的設定范圍，就會發出電子警報，防患于未然。如發生游客失蹤或受傷狀況，也可以準確定位，第一時間提供援救。

三、技術方案

（1）硬件設計。RFID系統根據不同的應用需求配備不同的功能組件，但基本上都包含讀寫器、電子標簽、天線和后臺計算機四個部分[2]。其中讀寫器是為了通過天線對電子標簽進行數據的讀取和寫入，將讀寫器連接到后臺計算機上可以實現對數據信息的處理，并以可視化的方式呈現給用戶，也可以將指令信息通過讀寫器寫入電子標簽；電子標簽一般安裝在被識別物體上，具有唯一的標識碼，根據相關指令將信息以無線射頻信號的形式傳送給讀寫器；天線分別安裝在讀寫器和電子標簽上，用來實現射頻功率信號以電磁波的形式向四周輻射。

為了滿足滑雪場定位的精確性與穩定性，本研究采用2.45GHz的有源RFID室內定位系統。該系統可以實現范圍較大的定位功能，而且功耗低、體積小，在不接天線的前提下，電子標簽與讀寫器的通信距離可以達到的30米到50米。該系統的電子標簽由參考標簽和定位標簽兩部分組成，標簽內部又包括了微控制器（MCN）、射頻模塊和串口。微控制器是硬件核心，不僅控制著無線信息通信協議，還負責與后臺計算機進行通信；射頻收發模塊具有工作電壓、頻率、工作、靈敏度等指標，對通信質量的優劣發揮著至關重要的作用；讀寫器接收到的信息需要通過串口發送到后臺計算機，計算機采用特定的算法計算待定位目標的具體坐標，串口決定著通訊過程的質量與速率。

（2）軟件設計。定位系統性能的準確定和穩定性不僅取決于良好的硬件設施，也需要配備性能優良的算法和軟件支持。基于RFID技術的定位方法可分為兩類，第一類是基于測距的定位方法，即通過測量兩點之間距離，根據三邊算法求出被定位目標的具體坐標，例如基于信號到達角角度測量定位法、基于信號到達時間差定位法等；第二類是基于網絡連通性、鏈路質量等信息對目標進行位置估算，例如質心算法，APIP算法等。目前常用的是基于有源RFID動態校驗的室內定位算法（LANDMARC）時，當被定位的目標進入讀寫器可識別區域時，讀寫器將電子標簽的信號強度進行檢測，并與已確定位置的參考標簽進行匹配，選出最為接近的參考標簽就可以估算出目標的具體位置[3]。本研究所提出系統的軟件設計包含讀寫器與電子標簽的通信實現，電子標簽分為參考標簽和被定位標簽，與讀寫器的通信需要配置通信協議、數據收發模式等；還包含實時定位的可視化界面實現，需要確定定位算法，設計定位顯示界面。

系統中讀寫器通過自動識別技術獲取參考標簽與待定位標簽的信息，并將信息傳送到后臺計算機，計算機根據標簽的信號強度值采用相關算法計算待定位標簽所處的精確位置。在滑雪場中，需要布置若干讀寫器和參考標簽，參考標簽以不同功率向外發送信號，待定位標簽檢測到無線訊號時，將發射功率存儲為數據包并通過讀寫器發送到后臺計算機。其中待定位標簽中需要配置參考標簽的地址、數據包的格式、數據包發送的目的地址、發送模式、發射功率等相關參數；參考標簽需要配置若干不同大小的發射功率值；續寫器需要配置標簽地址、收發模式、端口信息、RF初始，花、I/O初始化等參數[4]。以上參數的配置采用C語言編程實現，定位界面的設計采用VB6.0設計實現。endprint

（3）算法設計。滑雪場定位系統采用經典的LANDMARC算法實現定位功能，并在原基礎上進行了部分修正，可以克服在環境相對復雜時，選擇參考標簽誤差率大的問題。LANDMARC算法的工作原理是在定位區域引入了參考標簽，當待定位標簽進入定位區域時，選擇距離接近的參考標簽，讀寫器自動檢測二者之間的RSSI值，通過選擇N個參考標簽計算RSSI值并統計權重，根據權重質心算法估算出待定位標簽的位置坐標。采用此算法實現的定位準確性由讀寫器和參考標簽的分布位置和間隔區間共同決定，分布密度低會降低準確率，分布密度高會增加定位成本。N的取值也會影響定位精度，取值小會引起大誤差，取值大會增加計算量[5]。為了解決上述問題，本研究所述的系統對LANDMARC算法進行了修正，將定位區域分為若干個正方形區域，將參考標簽的位置以正方形的形式分布，每個角分別布置一個讀寫器。在理想狀況中四個參考標簽與定位標簽的歐式距離最小，就能實現最精確的位置計算。但在實際情況中信號的傳送過程中由于環境的復雜性會產生多次反射、衍射等現象，使得參考標簽的選取容易產生誤差。為了將誤差降低到最低，可以對LANDMARC算法進行優化，如：假設最近標簽數的取值N為4，分別為L1，L2，L3，L4，依據LANDMARC算法計算出被定位標簽的位置坐標為M（X，Y），其中L1與定位坐標之間的距離為（XL1-XM）2+（YL1-YM） 2的開方，同理可計算出L2，L3，L4與M點之間的距離，并在四個數值中選出最大的距離S1與參考標簽分布四邊形的邊長A進行對比，如果SA，則參考標簽選擇錯誤，如果A

四、結語

本研究根據滑雪場的管理需求，設計了一種基于C語言和VB6.0的定位系統，有助于擴大定位范圍，提高定位精度，降低定位成本，具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]宋遠峰，劉新.基于RFID的定位系統綜述[J].數字通信，2013，40（4）：9-13.

[2]羅春彬，彭龑，易彬. RFID技術發展與應用綜述[J].通信技術，2009，42（12）：112-114.

[3]李軍懷，孫轉宜，王一樂，等.基于虛擬參考標簽的RFID定位系統構建方法[J].計算機科學，2011，38（4）：107-110.

[4]張穎，李凱，王建偉.一種有源RFID局域定位系統設計[J].電子設計工程，2012，20（5）：68-70.

[5]宋遠峰，劉新.基于RFID的定位系統綜述[J].數字通信，2013，40（4）：9-13.

作者簡介：

呂國，副教授，碩士學位，主要研究方向為計算機網絡應用、物聯網。

注：本文系張家口市科技局科技類研究項目“基于RFID的‘智能滑雪場服務系統構建研究”（項目編號：1621012B）研究成果之一。