RFID技术的网格定位系统设计

PAGE17XXX大学毕业论文（设计）题目：基于RFID技术的网格定位应用系统设计学号：XXXXXX姓名：XXXX年级：XXXX学院：XXXXXXXXXXX系别：XXXXXXX专业：XXXXXXXXXXXX指导教师：XXXXXX完成日期：2011年4月30日摘要随着物联网的兴起，越来越多的地方要涉及定位系统，各个企业也在积极研究。RFID技术作为物联网技术的重要内容，得到了广泛的应用。RFID是一种利用无线通信实现的非接触式自动识别技术，具有超视距多目标识别识别速度快环境适应性强等优点，被公认为是21世纪最有前途的IT技术之一。在此背景下，提出了基于RFID的网格定位系统设计，本设计首先对RFID做了简单介绍，然后介绍了网格定位系统的结构硬件组成，着重介绍了网格定位算法，并介绍了算法的性能和可能产生的误差。本系统主要应用于各类需要实时监控移动目标所处大概区域的场合。关键字:RFID；网格定位；系统；定位算法AbstractWiththeriseofinternetofthings,moreandmoreplacesinvolvespositioningsystemandenterprisesareactivelyexploring.RFIDtechnologyasanimportantpartofinternetofthingstechnologyhasbeenwidelyused.RFIDisatechnologywhichtakeadvantageofwirelesscommunicationstoautomaticrecognition,withover-the-horizonmulti-targetrecognition、highspeedrecognitionandenvironmentadaptableetc,andisrecognizedasoneofthe21stcentury’smostpromisingtechnologies.Inthissituation,RFID-basedgridpositioningsystemdesignisproposed.First,thedesignmakeabrieflyintroductionaboutRFID.Andthenitintroducesthesystemstructure、hardwarecompositionandmainlydescribesthegridlocationalgorithm、performanceofthealgorithmandpossibleerrors.Thesystemmainlyapplystoallkindsofoccasionwhichneedreal-timemonitoramovingtargetinageneralareaKeyword:RFID；gridpositioning；system；localizationalgorithm前言近几年来，随着物联网的兴起，无线通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用。RFID（RadiaFrequencyIdentification,射频识别）技术，又称为电子标签或者无线标签，是一种利用无线通信实现非接触式自动识别技术。RFID作为无线通信和自动识别技术的一种完美组合，被认为是21世纪最有前途的IT技术之一。从此，RFID开始成为全球学术界、工业界和有关标准化组织所关心的一个新热点。目前我国拥有产品最为齐全的装备制造业，又是全球最重要的生产加工基地和消费市场，即将成为世界第二大贸易国。这些都为我国的RFID产业与应用的发展提供了巨大的市场空间、带来了难得的发展机遇，RFID技术必将成为我国信息产业发展和信息化建设的一个新机遇。今天被公认为21世纪最有前途的RFID，并不是一项新技术。最初RFID在第二次世界大战中用于空中作战的敌我识别，但是由于技术和成本的原因，RFID技术一直没有得到广泛的应用。从军事转向市场更为广阔的医疗、零售、海关等民用领域，RFID技术经历了一个循序渐进的过程。而大规模的集成电路、网络通信、信息安全等技术近年来迅速发展，则为RFID技术进入商用阶段提供了重要的推动力。RFID技术引发的变革，催生了RFID这一朝阳的产业。来自全球的多家市场报告咨询公司的数据均对RFID产业的未来给予了肯定:国际知名咨询公司爱森哲的一份调查报告称，对RFID技术的投资会带来高额的回报；2015年全球的RFID市场规模将达到900亿美元。在新兴的、有着广阔发展前景的RFID产业面前，相信任何一家企业都无法坐视不理，RFID技术引发的变革必将影响每个人的生活，从而成为继3G技术之后的最有影响力的无线通信技术之一。正是在这种趋势下，提出了本文的以XX监狱为例的基于RFID的网格定位系统设计。1．RFID简介1.1RFID基本知识介绍RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。最基本的RFID系统由三部分组成：1．电子标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，在标签中一般保存有约定格式的电子数据。2．阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)电子标签信息的设备。3．天线(Antenna)：在电子标签和读取器间传递射频信号。其系统模型如下：阅读器阅读器电子标签后台数据管理系统天线图1在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当电子标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息被读取器读取，并在解码后送至电脑主机进行有关处理，阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别体的目的。这种识别工作无须人工干预。作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等特点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。RFID技术具有很多突出的优点：实现了无源和免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，机具无直接对最终用户开放的物理接口，能更好地保证机具的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理，读写机具与卡之间也可相互认证，实现安全通信和存储；总体成本一直处于下降之中，越来越接近接触式IC卡的成本，甚至更低，为其大量应用奠定了基础。1.2RFID的发展历程射频识别技术是从二十世纪九十年代兴起并逐渐走向成熟的一项自动识别技术。从1948年哈里斯托克曼发表的利用反射功率的通信奠定了射频识别射频识别技术的理论基础后，RFID技术的发展可按十年期划分如下：1940-1950年射频识别技术理论基础的诞生1950-1960年早期射频识别技术的探索阶段1960-1970年射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试1970-1980年射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速。出现了一些最早的射频识别应用1981-1990年射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现1991-2000年射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分2001年后标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大1.3RFID的开发和应用现状至今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。RFID技术具有广阔的应用空间：很多企业、组织的门禁系统、身份鉴别系统已经使用了RFID技术；RFID技术还可以应用在财产保护、汽车跟踪、停车场和高速公路过桥计费等方面；物流业广泛使用RFID技术，从产品的生产、产品的运输到产品的销售将全面实现智能化。RFID也将全面应用到汽车、药物、食品、运输、能源、军工等各个领域。射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部，射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。许多高科技公司正在加紧开发RFID专用的软件和硬件，这些公司包括英特尔、微软、甲骨文等，而且最近全球最大的零售商沃尔玛也要求其前100家供应商在2005年1月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用RFID技术，并计划在2006年1月前在单件商品中使用这项技术的决议。美国军方早在20世纪后半叶就开始研究RFID技术，目前这项技术已经广泛使用在武器和后勤管理系统上。美国在“伊战”中利用RFID对武器和物资进行了非常准确地调配，保证了前线弹药和物资的准确供应。而在我国，由于射频识别技术起步较晚，应用的领域不是很广，除了在中国铁路系统成功应用的车号自动识别系统外，主要应用仅限于射频卡，例如我们一直使用的公交一卡通，第二代居民身份证等。目前我国已经开始尝试在一些领域进行应用示范。比如国家煤矿工种在安全帽上使用标签，以解决煤矿工人安全检查的问题；邮政行业正在进行物品传输方面的安全及整体数据模型的应用测试。中国标准化协会EPC和物联网应用标准化工作组还会在汽车行业、航空行业、石化、汽油、酒业、金融行业、零售行业、药品管理、医院管理方面进行应用示范,并预计未来在RFID标签的使用上，中国大概需要30亿以上的电子标签，中国RFID应用的前景非常广泛。2．监狱网格定位系统需求分析2.1监狱平面图本设计是以XX监狱为例来说明网格定位系统设计，XX监狱面积有600多亩，内部建筑物较多、楼舍分布范围大、高低错落。平面图如下：食堂一食堂一岗楼食堂二食堂三卫生院教学大楼岗楼岗楼岗楼草坪厂房五厂房六新建宿舍厂房一厂房二厂房三厂房四四层厂房食堂四食堂五科长值班室会见楼民警武警大门人行道大门车行道指挥中心机关办公区约800米图32.1监狱平面图3．网格定位系统设计3.1网格定位系统结构RFID网格定位系统的基本结构包括两个网络，即传感传感网络和数据传输网络。传感网络一般由RFID读写器、电子标签组成，可以看作一个由用户设置的读写器／电子标签阵列。待定位目标上携带有读写器或者标签，读写器／电子标签阵列接收来自服务器的指令，根据服务器的指令获取待定位目标的特征信息(如信号强度)，并将其存储在读写器中。而数据传输网络包括服务器及服务器与各读写器之间的连接。服务器根据用户的需求产生指令信号并将其传送至传感网络。传感网络中的读写器获取了待定位目标相关的信息后，通过数据传输网络反馈给服务器。最后，服务器执行特定的算法得到待定位目标的位置信息。服务器与各读写器之间可采取有线或无线的连接。图33.2网格定位系统硬件部分数据传输网络电脑服务器RS232/RS485转换器光纤转换器备用电脑管理台多串口服务器传感网络阅读器待定标签图43.3网格定位系统算法本设计所使用的电子标签为2.45G，阅读器能识别距离为0~30M方案一：将所要定位区域画成二维平面图，将在平面图上布满如图4所示的阅读器直到整个定位区域都在Reader的阅读范围内。此方案中式将Reader1Reader2Reader3Reader4的坐标为已知坐标，通过它们来定位待定位标签。易知所有的待定位标签都将在类似于1234的域里，当待定位标签处于1区域时，只有Reader1能检测到待定标签，所以将Reader1的坐标作为待定标签的位置。处于2区域时，Reader1Reader2都能检测到待定标签将Reader1Reader2的平均坐标值作为待定标签位置，3和4区域也按此处理。写出算法如下：(1)有N个阅读器检测到待定标签(2)待定位标签坐标=图5此方法定位误差太大，要求根据Reader的检测范围比较小，这样的话，所需要的Reader就比较多，成本较高。方案二：此方案是以方案一为基础的，不仅将待定平面区域划为网格状，而且为了提高精确度将每四个正方形的Reader划成网格状，引入虚拟标签，所谓虚拟标签，就是在不增加系统硬件的情况下，利用线性插值的方法，把实际标签组成的网格划分成许多小网格，如图5所示。每个由实际参考标签(图5中方块位置,也就是Reader)组成的网格可以被划分成n*n个相等大小的虚拟网格单元(图6实线单元V)，每个虚拟网格单元可以认为由四个虚拟参考标签(图6圆点位置)组成。由于已知实际参考标签的坐标，所以虚拟参考标签的坐标可以通过计算得到。虚拟标签的引入，既增加了参考标签的密度，也不会引起参考标签间的射频干扰。同时，使用虚拟标签并不增加系统的硬件成本。图6此算法中根据Reader所包含的虚拟标签来确定待定标签的坐标位置，如图6所示，假设待定位目标处在图中所示“X’’的位置，它处于Readerl，2，4的检测范围内，但处于Reader3的检测范围外。显然，待定位标签所处的可能区域为图6最右方的图阴影部分。最后，网格定位系统计算该区域内所有虚拟标签坐杯的代数平均值作为待定位标签的位置。图7算法数学表达如下：（1）建立基于虚拟参考标签的二维矩阵空间S（如图5所示）（2）选择所有能够检测到待定标签的读写器：其中表示编号为i的读写器，表示参考标签到编号为i的读写器的距离，R表示读写器能够检测到的最远距离；（3）选择所有能够检测到的参考标签：;其中表示编号为i的参考标签表示它们之间的距离（4）选择所有检测不到的待定标签的读写器：(5)选择所有检测到的参考标签;(6)选择所有属于而不属于的参考标签：;(7)计算的平均坐标作为待定标签的坐标;其中N为里面所包含的参考标签数3.4误差分析在二维平面图中，假设待定标签的实际坐标是，定位结果为，则均方差和标准方差分别为：均方差=标准方差=在方案二中，待定位标签是通过参考标签来定位的，所以定位的精度和参考标签阵列的密度有很大的关联。假设只用待定位标签邻近的参考标签来估计待定标签的坐标，那么单位的结果的误差范围就局限于由邻近标签构成的多边形内。从直观上看，似乎是参考标签越密集，定位结果误差范围就越小，然而实际并非如此，由于参考标签的密度太高，当Reader检测信号时，不同标签之间的冲突会十分激烈，所以这里要考虑一个最优参考标签密度。如果待定标签处于方案一图4的1区和方案二图6的阴影区中任何一个位置，所得到的定位结果是一样的，所以这2中网格定位算法的误差范围都是一个区域。Reader的检测范围和摆放位置，参考标签的密度都会对此区域的大小有影响，也就是说会对定位精度有影响。而且，在方案一和方案二两种算法中都是假设Reader的检测范围在平面上是圆形，而实际中由于障碍物的存在，Reader的检测范围并不都是圆形，这也将产生误差。4．小结本文对基于RFID技术的网格定位应用系统和算法进行了研究和探索。首先对RFID做了简单介绍，然后介绍了网格定位系统的结构硬件组成，着重介绍了网格定位算法，并介绍了算法的性能和可能产生的误差。本设计算法的定位精度还不够高，只能确定待定目标在一个大概的区域。这是一个要在后期的学习中能力去解决的问题，主要从二个方面去进行:1、确定方案二中的最优标签密度；2、通过其他的办法来实现更精确的定位（比如Reader接受信号的强弱）。致谢本研究及学位论文是在我的导师XXXX老师的亲切