幾種常用室內(nèi)定位技術(shù)的探討

1、 幾種常用室內(nèi)定位技術(shù)的探討Indoor Location Technique Based on RFID 1 引言隨著時(shí)代飛速變遷,科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展,信息服務(wù)質(zhì)量效率提高,受干擾度小,在人們的生活工作及科學(xué)研究中起到了非常重要的作用。室內(nèi)定位技術(shù)非常實(shí)用,具有較大的拓展空間,其應(yīng)用范圍廣泛,在復(fù)雜環(huán)境下,如圖書(shū)館,體育館,地下車(chē)庫(kù),貨品倉(cāng)庫(kù)等都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員以及物品的快速定位。室內(nèi)定位系統(tǒng)有最基本的5種算法:(1起源蜂窩小區(qū)技術(shù);(2時(shí)間到達(dá)法(TOA;(3時(shí)間到達(dá)差法(TDOA;(4信號(hào)強(qiáng)度法(RSSI;(5到達(dá)角度差法(AOA。常用的室內(nèi)定位技術(shù)主要包括以下幾種:(1基于超聲波定位技術(shù);

2、(2基于紅外線的定位技術(shù);(3基于超寬帶的定位技術(shù);(4射頻識(shí)別定位技術(shù)(WLAN、ZigBee等。2 幾種室內(nèi)定位技術(shù)的比較2.1 超聲波技術(shù)超聲波定位目前大多數(shù)采用反射式測(cè)距法。系統(tǒng)由一個(gè)主測(cè)距器和若干個(gè)電子標(biāo)簽組成,主測(cè)距器可放置于移動(dòng)機(jī)器人本體上,各個(gè)電子標(biāo)簽放置于室內(nèi)空間的固定位置。定位過(guò)程如下:先由上位機(jī)發(fā)送同頻率的信號(hào)給各個(gè)電子標(biāo)簽,電子標(biāo)簽接收到后又反射傳輸給主測(cè)距器,從而可以確定各個(gè)電子標(biāo)簽到主測(cè)距器之間的距離,并得到定位坐標(biāo)。目前,比較流行的基于超聲波室內(nèi)定位的技術(shù) 2011年 第2期還有下面兩種:一種為將超聲波與射頻技術(shù)結(jié)合進(jìn)行定位。由于射頻信號(hào)傳輸速率接近光速,遠(yuǎn)高于射

3、頻速率,那么可以利用射頻信號(hào)先激活電子標(biāo)簽而后使其接收超聲波信號(hào),利用時(shí)間差的方法測(cè)距。這種技術(shù)成本低,功耗小,精度高。另一種為多超聲波定位技術(shù)。該技術(shù)采用全局定位,可在移動(dòng)機(jī)器人身上4個(gè)朝向安裝4個(gè)超聲波傳感器,將待定位空間分區(qū),由超聲波傳感器測(cè)距形成坐標(biāo),總體把握數(shù)據(jù),抗干擾性強(qiáng),精度高,而且可以解決機(jī)器人迷路問(wèn)題。定位精度:超聲波定位精度可達(dá)厘米級(jí),精度比較高。缺陷:超聲波在傳輸過(guò)程中衰減明顯從而影響其定位有效范圍。2.2 紅外線技術(shù)紅外線是一種波長(zhǎng)間于無(wú)線電波和可見(jiàn)光波之間的電磁波。典型的紅外線室內(nèi)定位系統(tǒng)Active badges使待測(cè)物體附上一個(gè)電子標(biāo)識(shí),該標(biāo)識(shí)通過(guò)紅外發(fā)射機(jī)向室內(nèi)

4、固定放置的紅外接收機(jī)周期發(fā)送該待測(cè)物唯一ID,接收機(jī)再通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)定位技術(shù)功耗較大且常常會(huì)受到室內(nèi)墻體或物體的阻隔,實(shí)用性較低。如果將紅外線與超聲波技術(shù)相結(jié)合也可方便地實(shí)現(xiàn)定位功能。用紅外線觸發(fā)定位信號(hào)使參考點(diǎn)的超聲波發(fā)射器向待測(cè)點(diǎn)發(fā)射超聲波,應(yīng)用TOA基本算法,通過(guò)計(jì)時(shí)器測(cè)距定位。一方面降低了功耗,另一方面避免了超聲波反射式定位技術(shù)傳輸距離短的缺陷。使得紅外技術(shù)與超聲波技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。定位精度:510m。缺陷:紅外線在傳輸過(guò)程中易于受物體或墻體阻隔且傳輸距離較短,定位系統(tǒng)復(fù)雜度較高,有效性和實(shí)用性較其它技術(shù)仍有差距。2.3 超寬帶技術(shù)超寬帶技術(shù)是近年來(lái)新興的一項(xiàng)無(wú)線技術(shù)

5、,目前,包括美國(guó),日本,加拿大等在內(nèi)的國(guó)家都在研究這項(xiàng)技術(shù),在無(wú)線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有良好的前景。UWB技術(shù)是一種傳輸速率高(最高可達(dá)1000Mbps 以上,發(fā)射功率較低,穿透能力較強(qiáng)并且是基于極窄脈沖的無(wú)線技術(shù),無(wú)載波。正是這些優(yōu)點(diǎn),使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的結(jié)果。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA演示測(cè)距定位算法,就是通過(guò)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差,通過(guò)雙曲線交叉來(lái)定位的超寬帶系統(tǒng)包括產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理極窄脈沖信號(hào)的無(wú)線電系統(tǒng)。而超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)(如圖1所示則包括UWB接收器、UWB參考標(biāo)簽和主動(dòng)UWB標(biāo)簽。定位過(guò)程中由UWB接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB 信號(hào),通過(guò)過(guò)濾電磁波傳輸過(guò)程中夾雜的各

6、種噪聲干擾,得到含有效信息的信號(hào),再通過(guò)中央處理單元進(jìn)行測(cè)距定位計(jì)算分析。脈沖發(fā)生器UWB接收器時(shí)鐘信號(hào)處理數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)簽發(fā)射UWB信號(hào)時(shí)鐘脈沖發(fā)生器延時(shí)控制圖1 UWB室內(nèi)定位結(jié)構(gòu)圖基于超寬帶技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)典型實(shí)例為: Ubisense,其定位方法為三邊定位,定位精度為: 610cm,缺陷:造價(jià)較高。2.4 射頻識(shí)別技術(shù)射頻定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常方便,而且系統(tǒng)受環(huán)境的干擾較小,電子標(biāo)簽信息可以編輯改寫(xiě)比較靈活。下面具體介紹該技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。3 基于射頻識(shí)別(RFID的室內(nèi)定位技術(shù)3.1 RFID技術(shù)原理射頻識(shí)別(RFID技術(shù)是一種操控簡(jiǎn)易,適用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的技術(shù),它利用了電感和電磁耦合或雷達(dá)

7、反射的傳輸特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。射頻(RF是具有一定波長(zhǎng)的電磁波,它的頻率描述為:kHz、MHz、GHz,范圍從低頻到微波不一。3.2 RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、射頻讀寫(xiě)器、中間件 以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。射頻標(biāo)簽和讀寫(xiě)器是通過(guò)由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。在定位系統(tǒng)應(yīng)用中,將射頻讀寫(xiě)器放置在待測(cè)移動(dòng)物體上,射頻電子標(biāo)簽嵌入到操作環(huán)境中。電子標(biāo)簽上存儲(chǔ)有位置識(shí)別的信息,讀寫(xiě)器則通過(guò)有線或無(wú)線形式連接到信息數(shù)據(jù)庫(kù)。3.3 RFID 室內(nèi)定位技術(shù)典型系統(tǒng)LANDMARKLANDMARK 系統(tǒng)是應(yīng)用RFID 的典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)。

8、該系統(tǒng)通過(guò)參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度RSSI 的分析計(jì)算,利用“最近鄰居”算法和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出帶定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。LANDMARK 系統(tǒng)定位精度:平均1m 。缺陷:LANDMARK 系統(tǒng)有幾方面缺陷,首先,系統(tǒng)定位精度由參考標(biāo)簽的位置決定,參考標(biāo)簽的位置會(huì)影響定位;第二,系統(tǒng)為了提高定位精度需要增加參考標(biāo)簽的密度,然而密度較高會(huì)產(chǎn)生較大的干擾,影響信號(hào)強(qiáng)度;第三,因?yàn)橐ㄟ^(guò)公式計(jì)算歐幾里德公式得到參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的距離,所以計(jì)算量較大。 3.4 不同頻段RFID 技術(shù)適用性R F I D 常用頻段包括:低頻、高頻、超高頻、微波。針對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng),將不同頻段的射頻信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表1所示。

9、基于IEEE802.11b 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線以太網(wǎng)已經(jīng)成功進(jìn)入人類(lèi)社會(huì)生活中,無(wú)論校園,工作場(chǎng)合或是公共場(chǎng)所等都廣泛應(yīng)用了該技術(shù)。使用中只需用手機(jī),筆記本電腦或者是PDA 等就可以輕松獲取無(wú)線信號(hào)。無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)也可輕松運(yùn)用到室內(nèi)定位系統(tǒng)中。在無(wú)線局域網(wǎng)中的AP 接入點(diǎn)或是無(wú)線網(wǎng)卡都可以方便測(cè)得無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度,利用這一點(diǎn)可以通過(guò)匹配信號(hào)強(qiáng)度的方法進(jìn)行定位。位置指紋法是一種常用的無(wú)線局域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù),典型的系統(tǒng)是RADAR 原型系統(tǒng),由微軟研發(fā)?；赗SSI 技術(shù)的RADAR 室內(nèi)定位系統(tǒng)運(yùn)行分兩個(gè)過(guò)程,分別是先在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域?qū)υO(shè)置的若干個(gè)AP 固定點(diǎn)離線采集其位置信息以及信號(hào)強(qiáng)度,通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸

10、給數(shù)據(jù)中心形成位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù),再對(duì)實(shí)時(shí)待測(cè)物所測(cè)算得到信號(hào)強(qiáng)度利用最近鄰居法分析匹配出其位置。精度:23m 。缺陷:采集數(shù)據(jù)工作量大,而且為了達(dá)到較高的精度,固定點(diǎn)AP 的位置測(cè)算設(shè)置比較繁瑣。天線射頻標(biāo)簽:接收激活信號(hào),反射標(biāo)識(shí)信息射頻讀卡器:讀取標(biāo)識(shí)信息,傳送數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)圖2 RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表1 不同RFID頻段射頻信號(hào)特性對(duì)比 2011年 第2期ZigBee技術(shù)應(yīng)用于較短距離無(wú)線通信,主要面向無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在應(yīng)用中表現(xiàn)出近距離,低功耗,低成本等特征,這些都可以滿(mǎn)足室內(nèi)定位系統(tǒng)的要求和條件。應(yīng)用ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)是通過(guò)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置參考節(jié)點(diǎn),移動(dòng)

11、節(jié)點(diǎn)構(gòu)成系統(tǒng)的,參考節(jié)點(diǎn)為靜態(tài)節(jié)點(diǎn),它們發(fā)送位置信息和RSSI值給移動(dòng)待測(cè)節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入定位模塊,分析計(jì)算得到自身位置。該系統(tǒng)常采用分布式節(jié)點(diǎn)設(shè)置,可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)工作量和通信延遲的問(wèn)題。精度:2m以?xún)?nèi),平均1m。缺陷:網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性還有待提高,易受環(huán)境干擾。4 結(jié)束語(yǔ)本文比較了各種典型系統(tǒng),紅外及超聲波技術(shù)在應(yīng)用中容易受到環(huán)境阻隔和干擾,易發(fā)生能量損耗,而超寬帶技術(shù)花費(fèi)相對(duì)較高。上述幾種定位技術(shù)的定位精度都還比較滿(mǎn)意,從總體上來(lái)說(shuō),射頻識(shí)別技術(shù)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中較為適合,實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便,定位精度讓人滿(mǎn)意,且造價(jià)較低,在研究典型系統(tǒng)LANDMARK系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,今后可針對(duì)其缺陷進(jìn)行改進(jìn),

12、利用2.45GHz搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位,盡量提高定位效率和精度。其中,當(dāng)屬ZigBee 技術(shù)尤其適合研究室內(nèi)定位系統(tǒng),其構(gòu)造簡(jiǎn)單,布置簡(jiǎn)便,性能優(yōu)良,而且系統(tǒng)功耗非常小,定位效果也可以方便地達(dá)到應(yīng)用需求,對(duì)于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)還有待于研究開(kāi)發(fā),它將是研究RFID技術(shù)的良好案例和應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 王小輝,汪云甲,張偉.基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)評(píng)述J.傳感器與微系統(tǒng), 2009,28(2:1-3.2朱敏.室內(nèi)定位技術(shù)分析J.現(xiàn)代計(jì)算機(jī), 2008,277:79-81.3胡圣.室內(nèi)定位系統(tǒng)(重慶郵電大學(xué)碩士論文D2006.4 呂源,李軍.室內(nèi)環(huán)境下定位技術(shù)的研究J.電子測(cè)試,20

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