基于WiFi和RFID技术的老年公寓人员定位系统

张 许，梁龙学

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州730070)

随着我国老龄化进程的加速，老年人的生活状况和居住质量得到社会关注。老年人的精确定位、身体健康状况的实时检测、疾病的预防等作为老年公寓居住质量的重要考核指标也得到了人们的重视［1］。基于RFID的精确定位有助于实时监测的活动轨迹给老年公寓老年人的有效管理提供了较大帮助，目前常用的RFID的定位方法存在定位精度不高，信号覆盖范围小等缺陷。鉴于以上问题提出了一种较为高效的定位方式，能够实时跟踪老年人的活动轨迹，大幅提升了安全管理水平。

1 系统的基本原理

RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术，识别过程无需人工干预，可同时识别多个标签，操作方便，适应性广泛。但传统的标签定位距离较小，无法适应较大距离的精确定位，而WiFi具有短距离数据高速传输的优势，其传输距离可达100 m，传输速率可达54 Mbit·s－1［2］。因此，文中提出了一种基于WiFi技术和RFID技术相结合的方法实现定位。

1.1 RFID定位技术

RFID是一种简单的无线系统，主要用于跟踪控制、检测和跟踪物体。设计中RFID主要由阅读器、电子标签、WiFi模块3部分组成。阅读器由天线、耦合元件、芯片组成，用于读取标签信息。电子标签分为有源、无源和半有源3种［3］。有源标签读/写距离较远，但体积较大且需要电池供电，随着电池电力的消耗，数据传输的距离会越来越小。无源标签主要依靠阅读器发射脉冲信号的能量工作，具有低成本、使用寿命长的特点，但在阅读距离和对较大移动速度的识别方面有限制。本设计用于老年公寓的人员定位，老年人的移动速度较慢，因此本设计采用无源标签。

无线WiFi模块主要是用于电子标签、阅读器以及AP之间的通信。

1.2 系统的工作原理

基于WiFi和RFID的老年公寓人员定位系统的设计，是给公寓的每个房间安装带有WiFi的RFID参考标签，该标签包含有标签所在的位置信息。通常情况下在每层公寓的楼梯口及重要的位置安放阅读器，然后根据阅读器的覆盖范围在楼层的走廊安放一定数量的阅读器以确保整个公寓被覆盖。给每一位入住老年公寓的老人佩戴带有WiFi的RFID标签，当携带有标签的人员进入阅读器的读取范围时，阅读器会立即感应到信号，同时通过WiFi模块将标签的信息上传到接入点AP，再由AP通过以太网传送到上位机，上位机通过与数据库匹配，在得到该标签信息的同时将数据发送到监控中心的显示器上，公寓管理员通过查看显示记录可获得携带该标签的人员的信息。当需要寻找某个人员时，管理员只需在上位机中输入该人员的姓名或编号就能实时监控此人员的活动轨迹。如果老年人在紧急情况下按下报警按钮，附近的阅读器便能快速识别，并将信号发送给上位机，通知工作人员进行应急处理。

图1 基于WiFi和RFID的老年公寓人员定位系统结构原理图

2 系统的设计与实现

基于WiFi和RFID的老年公寓人员定位系统按照其功能可分为:数据采集子系统、定位子系统、数据查询显示子系统和报警子系统［4］，如图2所示。

图2 基于WiFi和RFID的老年公寓人员定位系统框图

定位子系统是该系统的核心，主要由参考电子标签管理和人员定位管理两部分组成。电子标签的管理实现标签的管理和维护、卡内信息的录入、更新等功能。人员定位管理根据采集到标签的信息，对人员进行位置查询、锁定及该标签成员数据库的更新;数据采集子系统主要实现数据的实时采集、处理和记录。其采集到的数据的精确程度关系到整个系统的精确程度;数据查询和显示子系统主要实现标签实时信息与数据库信息的匹配及标签位置的实时显示;报警子系统主要用于应对突发事件，当标签的报警装置启动时，数据采集子系统能够优先采集该标签的位置信息实现快速定位。

3 定位算法的实现

目前实现RFID定位算法主要有基于测距技术和基于非测距技术两大类［5］。其中，基于测距技术的算法有:基于接收信号的强度指示算法(RSSI)、到达角度算法(VOV)、到达时间差算法(TDOA)等;基于非测距技术的算法有:质心算法、凸规划算法、APIT算法等。

3.1 改进的LANDMARC算法

LANDMARC(Location Identification based on Dynamic Active Rfid Calibration)采用参考标签来辅助定位。当标签处于检测范围时，系统通过标签之间的信号强度差异估测待测标签的位置。

假设现有N个阅读器，M个参考标签和K个待测标签。定义待测标签的信号强度矢量为θi={θ1，θ2…θn}，其中θi{i≤n}，表示待测标签在阅读器i上的信号强度。定义参考标签的信号强度矢量为ui={u1，u2…un}，其中ui{i≤n}表示参考标签在阅读器i上的信号强度。

对于待测标签j∈(1，k)，定义待测标签与参考标签之间的欧式距离

Ej值越小，表示待测标签与该参考标签之间的距离越小。

对于一个未知的待测标签，可以推算出其坐标为

当K＜m时，表示在m个欧式距离Ej中最小的K个邻居。wl表示第l个邻居的权重，可以由式(3)得到

此时，可估算出待测标签的实际坐标与理论坐标的误差

其中，(x0，y0)表示待测标签的实际位置坐标;(x，y)表示待测标签的理论位置坐标。

传统的LANDMARC算法在对RSSI信号进行处理时，没有对信号进行分析。由于受到干扰等因素的影响，部分信号会较大程度地偏离准确信号值，导致得到的标签位置信息误差较大［6］。因此本文采用改进的LANDMARC算法:首先对RSSI信号进行中值滤波，再将滤波后的RSSI信号使用LANDMARC算法，其流程如图3所示。

图3 算法流程图

3.2 实验结果及分析

本设计在某5 m×5 m空间内进行测试，在该空间的几何中心放置一枚阅读器，同时在空间的8个角落分别放置一枚参考标签。在测试时对一个或多个待测标签分别采用传统的LANDMARC算法和改进的LANDMARC算法进行定位计算。为估计两种算法的准确度，在定位计算时同时采用式(4)算出坐标的误差，结果显示误差与标签个数有如图4所示关系。

图4 不同算法坐标误差与标签个数关系图

实验结果表明，采用改进的LANDMARC算法能有效减小待测标签坐标的误差。

4 结束语

采用WiFi技术和RFID技术设计了一种老年公寓人员定位系统。该系统采用WiFi无线局域网络进行数据的传输，相比单纯使用RFID部件进行通信具有组网方便、数据传输速率高、易于扩展且可实现无盲区覆盖等优点。同时，设计采用改进的LANDMARC算法，使得定位精度大幅提高。

［1］ 王震，刘智斌.基于物联网的养老院管理系统设计与是实现［J］.计算机与现代化，2012(6):77－80.

［2］ 王树奇，石崟.基于RFID和WiFi技术的矿井人员定位系统［C］.Proceedings of 2010 International Conference on Remote Sensing(ICRS 2010)，2010(3):253－556.

［3］CLAUS F.射频识别技术［M］.3版.吴晓峰，陈大才，译.北京:电子工业出版社，2006.

［4］ 潘永友，李文钧，严敬宇.基于有源RFID技术的人员定位信息管理系统设计［J］.科技创新论坛，2012(16):191－192.

［5］STEVE L.A basic introduction to RFID technology and its use in supply chain technical report［M］.MA USA:Laran Technologies，2004.

［6］SUMALEE C.Enchancing the location estimation scheme using statistical filtering technique based on LANDMARC approach［C］.Taipei:IEEE Transaction on Industry，2012.