低功耗有源RFID定位技术的研究与实现(可编辑).doc

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1、低功耗有源RFID定位技术的研究与实现 学校代号 10532 学 号 S1010W107分 类 号 TP3P 密 级 普通 工 程 硕 士 学 位 论 文低 功 耗 有 源 RFID 定 位 技 术 的 研 究 与 实 现学位申请人姓名 侯映红培 养 单 位 信息科学与工程学院导师 姓名及职称吴强 副教授 吕勇强 助理研究员学 科 专 业 计算机技术研 究 方 向 嵌入式 系统论 文 提 交 日 期2013 年 04 月 24 日学校代号:10532 学 号:S1010W107 密 级: 普通 湖南大学硕士学位论文低 功 耗 有 源 RFID 定 位 技 术 的 研 究 与 实 现 学位申请人

2、姓名: 侯映红 导师姓名及职称 : 吴强 副教授 吕勇强 助理研究员培 养 单 位: 信息科学与工程学院 专 业 名 称: 计算机技术论 文 提 交 日 期 : 2013 年 04 月 24 日 论 文 答 辩 日 期 : 2013 年 05 月 11 日答辩委员会主席 : 李肯立 教授Research and implementation of Low-power indoor positioning technology based on active RFID by HOU Yinghong B.E. Changsha university of science and technolo

3、gy2010 A thesis submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree of Master of Engineering in Computer Technology in theGraduate school of Hunan UniversitySupervisor Professor WU Qiang & Research Associate LV Yongqiang May, 2013 湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导 师的指导下独立进行研究所取得的研

4、究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。本 人 授 权 湖 南 大 学 可 以 将 本 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本

5、学位论文属于1 、保密 ,在 年 解 密 后 适 用 本 授 权 书 。 2 、不保密 。 (请在以上相应方框内打 “” )作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日I 低功 耗有源 RFID 定位技术 的研 究与 实现 摘 要 在普 适计算的模式下,人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理 , 因此获取目标的实时位置信息成为普适计算研究中不可或缺的内 容 。 最 早 的 实 时 定 位 系 统 是 GPS 即全球定位系统 , 由 于 混 凝 土 等 障 碍 物 对 电 磁波的阻挡,GPS 在室内环境中的定位作用是完全失效的。 因此, 研究一种适合于室内

6、无线环境的定位系统有重要的理论和现实意义。 瞬时社交网络 服务 (Ephemeral Social Network Service ,ESNS ) 是一个新的相对应于社交网络服务(Social Network Service ,SNS )致力于满 足人们瞬时性网络需求 , 例如会议或是工作场所。 但是 ESNS 是基于位置的服务, 可能 产生 位置隐私泄露 的 问 题 。 射 频 识 别 技 术 (RFID ) 具 有 非 接 触 、 非 视 距 、 成 本 低 和 精度高等优点, 成为 首 选 的 室 内 定 位 技 术 。 本 文 研 究 了 有 源 RFID 室内定位系统开发中包括 的

7、定位模型 设计、算法设计、后台数据处理等一系列关键问题,提出 了 衡量定位系统性能的四个 指标 分别是可行性、服务质量、可扩展性和隐私保护 。 本文研究的内容主要包含两部分 :RFID 定位系统的研究 和 RFID 硬件系统低功耗的实现。本文研究的具体 工作 如下: (1 )设计了一个 RFID 定位的 硬件系统,利用 Altium Designer 设计硬件系统 的 电 路 板 , 应 用 IAR 集成开发环境调试和编译设计的电路板,通过软硬件两方面的协同实现了 RFID 定位系统的低功耗和高稳定性。 (2 ) 分析 和比较了基于测距的定位算法 以及非测距的位置指纹定位算法和最邻近定位算法

8、LANDMARC 。 研究了针对 ESNS 应用场景的位置隐私问题, 提出了结合最邻近 LANDMARC 算法和位置指纹算法来初步解决 ESNS 系统的位置隐私安全问题 以及实现了定位系统的高精度 。 将 本文 提出来的基于 ESNS 定位系 统 应用在 2011ACMUbiComp 会议 ,收集到的数据结果 表明该模型具有良好 稳定性、 低成本和定制的隐私保护。关键字: 普适计算 ; 隐私保护 ; 瞬时社交网络 ;RFID 定位技术 ;LANDMARC ;IAR ;Altium Designer II工程 硕士 学位 论文 Abstract In the pervasive computin

9、g mode, People can acquire and process information in any manner at any time and in any place. Therefore obtaining position information become the indispensable content of ubiquitous computing research. Global Positioning System GPS is the most earliest and well-know system in the field of wireless

10、position-location. However the GPS fails in indoor environments because the signals received from satellites often suffer severe interference by concrete BuildingSo it is important in practice and theory to develop a position-fixing system to suit indoor environmentEphemeral social network services

11、ESNS,a new SNSSocial network Services type, is emerging to capture the ephemeral interactions and meetings that occur in environments such as conferences and workplaces. Most ESNS require the positioning ,therefore position system may bring about personal privacy issuesRFID technique becomes a prima

12、ry candidate for low-cost, high performance and large scale indoor location-sensing system because of its advantages such as non-line-of-sight NLOS identification and the low-cost nature. In this paper we studied some key issues including framework designing, algorithm designing and background data

13、processing in the process of developing active RFID indoor positioning systems. we propose a scalable location-sensing model based on RFID-sensing architecture for ESN in consideration of four aspects of requirements, that is, the usability, QoS, scalability, and privacyThe content of this paper mai

14、nly consists of two parts: one is research and implementation of indoor positioning technology based on RFID , the other one is design and implementation of RFID hardware system of Low power consumptionDetails are as follows: (1 )We design hardware circuit of RFID positioning system by the Altium De

15、signer software. And we use IAR integrated development environment for debugging and compiling circuit board. Finally, positioning system has characteristic of low power consumption and high stability which Depends on the software programming and hardware component selection(2 )Study and comparison

16、of the positioning algorithm based on distance measurement TOA/TDOA, RSSI, AOA, fingerprint positioning algorithm and the III 低功 耗有源 RFID 定位技术 的研 究与 实现 neighboring positioning algorithm LANDMARC. In order to protect privacy issues of positioning system, we researched a method to combine two position

17、ing algorithms together and created an improved algorithm in order to solve special needs of ESNSAt the same time, we achieved a high-precision positioning systemA prototyping conference-type ESNS system was also developed in this paper and was tested in the ACMUbiComp 2011 conference, which verifie

18、d that the model works well with good scalability, low cost, and customized privacy protection Key Words: pervasive computing; privacy protection; ESNS; RFID; LANDMARC; IAR; Altium Designer IV工程 硕士 学位 论文 目 录 学位论文原创性声明 和学位论文版权使用授权书. I 摘 要. II AbstractIII 插图索引 VII 附表索引VIII 第 1 章 绪论1 1.1 课题来源.1 1.2 课题背

19、景和意义.1 1.2.1 课题的背景1 1.2.2 课题的意义2 1.3 研究现状.3 1.3.1 室内定位系统的现状3 1.3.2 有源 RFID 的发展现状.4 1.4 本文的主要工作.6 1.4.1 课题的目的6 1.4.2 研究的主要内容.6 1.5 本文的组织结构.8 第 2 章 相关技术介绍.9 2.1 室内定位系统的四个指标.9 2.2 室内定位技术研究10 2.2.1 红外定位技术. 10 2.2.2 局域网 WIFI 定位技术10 2.2.3 超宽带定位技术 10 2.2.4 有源 RFID 定位技术 11 2.3 有源 RFID 定位原理12 2.3.1 RFID 工作原理

20、12 2.3.2 有源 RFID 定位原理13 2.4 定位方法 14 2.4.1 基于测距的定位 14 2.4.2 基于非测距的定位17 2.5 存在问题与本文技术路线 18V低功 耗有源 RFID 定位技术 的研 究与 实现 2.5.1 定位系统的隐私安全问题 18 2.5.2 定位算法单一. 19 2. 6 本章 小结. 19 第 3 章 RFID 硬件系统设计与实现20 3.1 RFID 系 统 硬 件 总 体 框 架20 3.2 RFID 阅 读 器 的 电 路 设 计 与 软件实现 22 3.2.1 阅读器 MCUS3C2440. 22 3.2.2 电源电路 23 3.2.3 外围

21、接口电路的设计. 23 3.2.4 无线射频 CC1101 模块设计 25 3.2.5 阅读器软件实现 27 3.3 RFID 标 签 的 电 路 设 计 与 软 件 实 现. 28 3.3.1 MSP430F149 简介 28 3.3.2 低功耗工作模式 30 3.3.3 单片机与射频模块的连接 31 3.3.4 标签软件实现. 31 3.4 RFID 硬 件 系 统 的 低 功 耗 分 析 验 证. 32 3.5 本章小结 34 第 4 章 ESNS 定位系统的设计与实现. 35 4.1 定位模型设计. 35 4.1.1 定位框架 35 4.1.2 部署计划 36 4.2 定位算法 37

22、4.2.1 低精度定位方法 38 4.2.2 高精度定位方法 39 4.3 总体设计流程. 40 4.4 实验验证和结果分析41 4.4.1 系统部署和安装. 41 4.4.2 结果和结论 42 4.5 本章小结 45 结论. 46 参考文献49 致 谢 53 附 录 读研期间发表学术论文及参与科研项目54VI 工程 硕士 学位 论文 插图索引 图 1.1 UBISENSE 系统结构图.4 图 1.2 基于位置敏感模型的结 构框架图.6 图 2.1 系统性能的 4 个要指标9 图 2.2 RFID 系统的组成和原理说明 13 图 2.3 无线定位系统功能框图. 14 图 2.4 AOA 定位原

23、理图15 图 2.5 TOA 定位原理图16 图 2.6 TDOA 定位原理图16 图 2.7 RSSI 定位原理图17 图 3.1 位置检测 RFID 系统功能框图20 图 3.2 阅读器电路板实物图. 22 图 3.3 串口原理图24 图 3.4 网口原理图24 图 3.5 JTAG 原理图 25 图 3.6 射频收发电路图 26 图 3.7 RFID 阅读器接收数据流程图 27 图 3.8 标签电路板28 图 3.9 程序运行流程图 32 图 3.10 安捷伦直流源实测标签 功耗 33 图 4.1 基于位置敏感模型的结构框架图. 35 图 4.2 区域为矩形阅读器的矩 形部署图 37 图

24、 4.3 区域为半圆形阅读器的 矩形部署图37 图 4.4 算法结构图38 图 4.5 总体设计流程图 40 图 4.6 低精度下 RFID 阅读器的部署图. 42 图 4.7 高精度下 RFID 系统部署会图42 图 4.8 参考标签数量与精确度 关系图. 43 图 4.9 目标的 计 算 坐 标 和 真 实 坐 标 对 比 图44VII低功 耗有源 RFID 定位技术 的研 究与 实现 附表索引 表 1.1 RF 无线收发模块的耗电情况表.5 表 2.1 定位技术比较表. 11 表 3.1 CC1101 在各模式下的耗电情况26 表 3.2 RF 功能引脚说明. 27 表 3.3 MSP4

25、30F149 的低功耗模式说明. 30 表 3.4 RF 功能引脚说明. 31 表 3.5 设计的标签在不同周期 下的功耗比较表. 33 表 3.6 RFID 有源的标签的功耗数据比较. 34 表 4.1 低精度要求结果分析表. 43 表 4.2 精度定位模型定位结果 分析44 VIII 工程 硕士 学位 论文 第1 章 绪论 1.1 课 题 来 源 本课题来源于国家高 技术研究发展计划863 计划 信息技术领域 “ 普适计算基础软硬件关键技术及 系统 ” 重点项目。普适计算力图将以计 算机为中心的计算模式转 变 为 以 人 为 中 心 的 计 算 模 式 , 其 目 标 是 在 计 算 和

26、通 信 无 所 不 在 的 条 件 下 建立以人为中心的计算环境? 这种计算环境紧密结合于人们的生产生活环境,通过自然便捷的交互方式 主动提供人们适用的信息服务,以辅助 人们的活动。二十一世纪是无线互联网的 时代,各种新兴的无线定位技术也应运 而生为普适计算的发展提供了环境,利用 无线网络获取位置信息才能更好 地 定 位 目 标 , 才 能 实 现 在普适计算的模式下,人 们能够在任何时间、任何地点、以任何 方式进行信息的获取与处理。 实时定位系统Real Time Locating System 是一种能实时提供目 标 位置信息的1无 线 通 信 系 统 , 实 时 定 位 系 统 又 可

27、以 分 为 室 内 定 位 系 统 和 室 外 定 位 系 统 。室外定位系统一般就等 同于全球定位系统GPS , 但是由于建筑物的遮挡作用全球定2位 系 统 在 室 内 是 完 全 无 效 的 。 随着 远 距 离 无 线 通 信 技 术 的 发 展 和 室 内 定 位 应 用需要的扩大,室内定 位技术成为一个新的研究热点。 1.2 课 题 背 景 和 意 义 1.2.1 课题的背景 当前位置感知正成为许 多新型计算领域(如 移动 计算、 普适 计 算 等 ) 的 一 个3最 重 要 的 特 征 和 追 求 目 标 , 同 时 作 为 提 供 位 置 服 务 的 核 心 技 术 之 一 ,

28、研 究 移 动4对 象 的 定 位 技 术 和 方 法 在 不 断 的 发 展 和 进 步 。定位服务 从 普 通 的 军 事 服 务 、 科学研究、经济活动, 到 重 要 的 抢险和 搜救等各行业中都有着重 要的应用。 室内定位系统具有广泛的应用 领域,人们在许多应用场景下对室内定 位 的应用需求很迫切 。室内定位的目标不 仅仅是人员也包括物件和动物的定位 。 适合 于 人员定位 的定位系统,如 应 用 在 井下 煤矿 的 人员定位 系统 、 博物 馆 或是公园 游客 的 导览 系统 、应用 在 医院 的 医生 和 病人 的 定位 系统 、 在 监狱 中的 犯人 看守和 监管 系统 等 ;用

29、于物件 的定位 方案 有仓 库 货 物监管定位系统 、医院 相关的 医疗 的 设备管理 定位系统等等 ;用于动物的定位 有动物园对动物的看管和寻找等 重 要 领 域 都有着重要的应5用 。 从 实 际 应 用 角 度 来 看 , 移 动 定 位 技 术 极 大 地 提 高 了 生 产 的 管 理 水 平 、 人 员的工作效率,并在生活 中极大地丰富了获取信息的方式。 室 内 定 位 系 统 已 经 完 完- 1 - 低功 耗有源 RFID 定位技术 的研 究与 实现 全全 地 进 入 和 影 响 着 人 们 的 生 活 。 室内 定位 系统的基本内容是 定位 技术 和定位 方法 , 定位技术和

30、定位方 法 成为 了 重要的研究方向, 同时也 得 到 了 广泛又深入的研究 。 定位方法主要分为两种 , 一种是基于测距的定位方法 , 主要有 到达时间法Time6 7of Arrival ,TOA 、 到达时间差法Time Difference of Arrival ,TDOA , 到达8角 度 法Angle of Arrival ,AOA , 接 收 信 号 强 度 法Received Signal Strength 9Indication , RSSI 四种方法 。 第 二 种 是 基 于 非 测 距 的 分 别 是 经 典 的 LANDMARC10 11 12算法 、 位 置 指 纹

31、 定 位 算 法 和 最 邻 近 算 法 。 移 动 互 联 网 和 远 距 离 无 线 通 信的快速发展,各种新 兴的无线定位技术也应运而生。如 无 线 局 域 网 WIFI 定位技13 14 15术 , 红外 定 位 技 术 , 射频 识别 定 位 技 术 RFIDRadio Frequency 16Identification ,RFID 、超 宽带 定位技术Ultra Wide Band ,UWB 、 无 线 传 感 网17络 定位技术Wireless Sensor Network, WSN 等等,研究者开发出多种定位系统及应用服务,以满足 人们对基于位置服务的巨大需求。 1.2.2

32、课题的意义 随着 多媒体业务和数据 业务的快速 发展 , 定位与导航重要性也 渐渐 凸显,且人们对此的需求也越 来越明显 , 尤 其 在 复 杂 的 室 内 环 境 如 机 场 大 厅 、 地 下 停 车 场 、超市、图书馆 、 矿井 和 仓库等环境中,常常需要 实 时 掌 握 人 员 和 物品在室内 准确的 位置信息。 面 对 室 内 定 位 系 统 的 如此 庞大需求, 专家 和 学者 们对室 内定位越来越感兴趣,对室内定位 的研究也是越来越深入, 提 出 了 许 多 室 内 定 位 技 术 解 决 方案,如 红 外 线 技 术 、 超 声 波 定 位 技 术 、 蓝 牙 定位 技 术 、

33、RFID 定位 技 术 、 无 线 局域网 WIFI 定位技术 、 光 跟 踪 定 位 技 术 、UWB 定位 技术 等 等 。虽然有如此 多 的室内定位技术,但是由于 室 内环境下的 材料结构、建筑物尺度和 形状以及 布置 结构的不同 造成 了 信 号 的 路 径 损 耗 很 大 , 与 此 同时,建筑物内在 的 结构会引起信号的反射 、折射、 绕 射 和 散 射 , 形 成 了信号的 多径现象,使得接收 信号的 相位、到达时间 和 幅度 发 生 变 化 , 导致 信 号 的 损 失 。 由于定位技术受室内环 境影响比较明显,18即使 是 比 较 完 善 的 定 位 技 术 依然 无法很好地

34、 将以 利用 。 现 有 的 室 内 定 位 系 统 普遍 存在着 定位时间长、 功耗较高、 成本较高和 定 位 精 度 低 等 问 题 , 因此研究和设计出低功耗和高稳定 性的定位系统有着明显的理论意义和实用 价值。 作为一种新颖的室内定位 技术?RFID 技术, 已经 得到了一定的研究和发展 , 但 现 有 的 基 于 RFID 的室内定位技术定位精度的提高依赖 于参考标签的 部署方式 、参考标签的 数量 和室内环境是否空旷 , 尤其是 在 室 内 存 在 大 量 障 碍 物 和电19磁波干扰的情况下 , 定 位 精 度 急 剧 下 降 。 此 外 , 由 于 现 有 的 RFID 定 位

35、 技 术 基本上都是采 用有源 RFID 电子标签 , 因 为 无 源 RFID 系 统 的 标 签 的 通 信 距 离 很 短 ,只有几米甚至是几厘 米 , 然而, 有源 RFID 电子标签的识别距离随标签 内的电池能量的消耗而下降,其 识别距离的 能力 在一段时间 内 是 相 对 稳 定 的 , 这 也 使 得 系- 2 - 工程 硕士 学位 论文 20统 的 定 位 精 度 在 一 段 时 间 也是 相对稳定 的 。 基于 有源 RFID 的定位系统中,RFID 阅 读 器 要 不 断 地 识 别 参 考 标 签 , 参 考 标 签 能 量 消 耗 很 大 , 会 使 得 定 位 系 统

36、的寿命 减 短 。 因 此 研 究 低功耗有源 RFID 室内定位系统有着重 要的理论和现实意义。 室内定位有着诸多 困难和实际应用需求, 室 内 定 位 技 术 和 定 位 算 法 已 成 为 各国科技工作 者研究 的 热 点 。 如 何 建 立 稳 定 的 定 位 模 型 和 提 供 高 定 位 精 度 仍 将 是 今后研究的重点。 1.3 研 究 现 状 全球定位系统GPS 的 研 发 初 衷 就 是 对 全 球 范 围 内 的 所 有 物 体 实 现 实 时 定 位 ,也是当前在全球范围 内, 最为成熟和广泛使用的定位系统 。 总体来说经济投入大 ,21定位的服务成本费用 高 。 卫

37、星 定 位 技 术 在 空 间 立 体 定 位 、 动 态 物 体 速 度 测 量 等方面有很好的性能 , 但 是 对 很 多 地 下 环 境 , 室内环境 由 于 建 筑 物 和 障 碍 物 的 阻 挡使得卫星 信号衰减 得 很 快 , 因 此 对 于 室 内 或 是 地 下 环 境 ,GPS 是 基本 不 起 作 用 的。在一些特殊的环境中 , 尤其是地下环境和室内 , 定 位 必 须 借 助 于 其 它 的 室内 定位系统来 定位的 满 足 需 求 。 远 距 离 无 线 通 信 技 术 的 蓬 勃 发 展 催 生 了 无线室内定位技术, 许多的高校和企业 都致力于室内定位系统的研究。因

38、此涌 现 出 了一大批优秀22的定位方案 , 其中包括 MIT Oxygen 项目开发的 Cricket 系统、华盛顿大学的23 10 24SpotON 系统、密歇根州立大学的 LANMARC 系统、微软公司的 RADAR25系统 、 基于红外的 Active Badge 系统 和美国 Ubise 公司开发的 Ubisense 室内定位系统等。 1.3.1 室 内 定 位 系 统 的 现 状 1RADAR 定 位 系 统 由 Microsoft 公司开发的 RADAR 定位系统采用 “ 指纹识别法 ” 定位。RADAR定位系统利用信号传 播模型和经验测试相结合的场景法进行定 位。在 RADAR

39、 系统中,室内环境障碍对 信号传播模型的影响很大,需要通过测 量信号衰减程度来计算传播距离。在实际 应用中,要根据不同的部署环境,测试 不同的信号衰减因子 , 再 根 据 信 号 衰 减 模 型 来 计 算 距 离 , 然 后 通 过 结 合 经 验 测 试 来 估 算 出 具 体 位 置 。 2SpotON 系统 SpotON 系统是最早的使用 RFID 技 术 进 行 室 内 定 位 的 系 统 之 一 。SpotON 系统基于 RSSI 分 析 的 三 维 位 置 感 知 方 法 , 实 现 了 小 范 围 内 的 定 位 。SpontON 系统的硬件架构包括中央 服务器和阅读器及若干

40、RFID 标签,RFID 阅读器通过串口协议 RS232 连接到一台中央服务器, 服务器收集所有阅读器传 递上来的信息, 然后进行分析和计算,得 到目标物体的位置;在 RFID 阅 读 器 的 周 围 布 置 许 多 电 子标 签 , 形 成 覆 盖 整 个 房 间 的 无 线 感 测 环 境 。SpotON 系 统 依 据 阅 读 器 与 电 子 标 签- 3 - 低功 耗有源 RFID 定位技术 的研 究与 实现 之间传播无线信号的 强度来判断他们之间的距离。 系统中的电子标签呈网 格状布置,该系统基于信号强度分析, 设计了一种聚合 算 法 对 携 带 电 子 标 签 的 目 标 进 行

41、三 维 空 间 定 位 。SpotON 系 统 既 能 提 供 目 标 的绝对位置也能提供其 相对位置。 3 Ubisense 系统 由 美国 Ubise 公司开发的 Ubisense 室 内 定 位 系 统 , 该 系 统 是 由 传 感 器 和 漫 游器组成,系统结构图 如图 1.1 所示。 当漫游器有效时, 它发射 UWB 脉冲和包含识别符在内的传统 RF 信 号 , 这 被传感器用来确定标签 的位置。Ubisense 采用信号到达时间法和 信号到达角法相结合 的 定 位 方 法 来 实 现 定 位 , 其 中 主 传 感 器 负 责 对 其 它 传 感 器 时 行 时 间 同 步 。U

42、bisense 室内定位系统的理论最 高精度是 15cm。标准配置的 Ubisense 系统4 个传感器,6 个漫游器 的 售 价 约 为 1400 美元。 网络主传感器传感器网 络UWB 脉冲UWB 脉冲UWB 脉冲漫游器传感器图 1.1 Ubisense 系 统 结 构 图26RADAR 系统实现了办公室范围内 2 3m 的实时定位 。 不 过 因 为 环 境 因 素对 RADAR 系统影响太大,定位系统的适应性比较差,而且其定位精度不高。27SpotON 的优 点是成本比较低和系统简单, 缺点是精度不高且信 号传播有延时 。28Ubisense 室 内 定 位 系 统 的 定 位 精 度

43、 可 以 高 达 0.15m , 但 是 系 统 的 成 本 非 常 昂 贵 ,且系统非常复杂 , 部署起来比较麻烦 。 因此现有的定位系统 还 是 存 在 系 统 不 稳 定 、精度不高和成本过高 等情况。 1.3.2 有源 RFID 的 发 展 现 状 由于有源电子标签本身 就是一种单片机加无线微功率收发机和 电池系统的结构,具有体积小、成本 低、功耗低和可实现远距离传输的特性 ,成为室内定位系- 4 - 工程 硕士 学位 论文 统的首选。目前国内 外有源电子标签的基本工作方式有下面两 种。 1 周期性向外发射自身 ID 号的方式。这是 有源电子标签 目前 使用最频繁 的工作方式。当 有源

44、 电 子 标 签 使 用这种工作方式 时, 电子标签 发 射 功 率 , 发 射 的 时间周期以及选用的 信 道 频 道 都 是 固 定 的 。 这 同时 也是 ISO 国际标准 中推荐 实时定位系统中 采用的电 子 标签的基本工作方式。 2 使 用低频 激活 高 频 工 作 的 方 式 。 为 了 降 低 有源 电 子 标 签 的 功 耗 , 有些 有源电子标签中 还附带 一 个 无 源 低 频 检 波 系 统 , 也将这种电子标签称 为双源电子标签 。系统 在有源电子标签不 需要工作的时候,将其处于一个极低功 耗的睡眠状态; 当有源电子标签要进入工 作的时候, 低频激励器天线 会 发 射

45、出 强 的 低 频 唤 醒 信 号 给无源低频 检波系统 ,使 得 电子标签中的低频检波器产生一个开 启高频通信系统的信号,从而使 有源 电 子 标 签 将 进 入 工 作 状 态 , 执行完 工作 后 再 进 入 超低功耗 休眠状态。 这 样 有 源 电 子 标 签 就 不 是一直处于期性的发射信息,不 需要工作的时 候就可 以 休 眠 , 因 此 可 以 降 低 电 子 标 签 的 功 耗 。 由于标签中的低频检 波系统是无源的,能激活标签的范围 是 非 常 有 限 一般就十几米,而且 能 激 活 距 离 越 远 , 则 低频系统激活天线所发射的功 率 就 会 越大 。因 此 , 这种 系

46、统 的 工 作 灵 活 性 受 到 极 大限制。 为 了 减 少 能 耗 , 当 今 大 多 数 有 源 标 签 基 本 上 使用 周期性的 单 向 发 射 自身 ID 的方式,其唯一的目的就 是 用来 识别和定位,而 不 考虑 信号碰撞 和 拥堵 的 问题。有源电子标签 要 有 远距离 和 双向 通信的能力,要 有 处 理 海 量 标 签 的 能 力 , 与之同时消耗的功率 也是 非 常 低 。 目 前 还 没 有 一 个 国 际 标 准 提 案 能 够 满 足 这 三 个 要求 就是29当前有源电子标签 的 现 状 。面对如此现状,很多的企业 和 公司 还 是 研 发 出 了 很多的低功耗高性能的 无线射频收发模块用于室内定位系统和报 警系统, , 例如 挪威30 31 32 33NORDIC 的 NRF905 和 NRF401 、RFM12B 和 TI-Chipcon 的 CC1101 射频模块的功耗数据 如下表 1.1 所示。 表 1.1 射频 无 线 收 发 模 块 的 耗 电 情 况 表 发送模式下功耗 休眠模式下功耗型号 (mA ) (A ) RFM12B 25 0.3 NRF401 8 8 NRF905 30 12.5 CC1101 16.5 0.2 虽 然 , 现 在