基于RFID的室内无线定位实验教学系统设计

邓昀+程小辉

摘要：以RFID技术为基础，设计室内无线定位实验教学系统，其由有源RFID固定标签、有源RFID移动标签、有源RFID读写器、定位服务器4部分组成。结合系统设计，对系统的实验功能需求进行了分析，提出了基于该实验系统的实验教学内容，其包含设计型和综合型实验，并探讨了该系统在科研方向的应用。该实验系统对培养RFID领域的研究设计型人才具有重要作用。

关键词：RFID；室内无线定位；实验教学系统；RSSI；三角形加权质心算法

DOIDOI：10.11907/rjdk.171765

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）006-0045-05

0 引言

物联网技术是继现代计算机、移动互联网技术之后，世界信息产业发展的又一次重大机遇，它可以实现人与人、人与物、物与物的紧密联系和相互交流。因此，作为物联网产业根本要素的人才培养尤为重要。高校实验教学是高等教育的一个重要组成部分，其质量高低直接影响着教学与科研质量[1]。

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术作为物联网概念中的重要一员，其技术已经在室内定位、车辆识别、门禁安全、物流、产品防伪等领域得到了广泛应用。室内定位能在室内环境下为指定对象和用户提供有效的跟踪、定位和导航服务，停车场、商场、火车站等场所对定位和导引的需求日趋强烈。此外，精准营销、智能制造、智能物流等行业也需要计算机系统能够实时计算、识别特定对象的位置。这些需求为室内定位系统（ Indoor Localization System，ILS）提供了巨大的機会。与其它室内定位技术相比，如视频分析、超声波、红外技术等，RFID无线射频室内定位技术具有覆盖区域广、定位精度高、成本低等特点。

本文结合室内定位技术的应用需求，以及物联网人才的培养需求，设计了基于有源RFID技术的室内无线定位实验教学系统。

1 系统设计方案

系统由有源RFID固定标签、有源RFID移动标签、有源RFID读写器、定位服务器4部分组成。RFID固定标签定期发射-18dBm、-12dBm、-6dBm和0dBm的射频功率信号值；RFID移动标签周期性地接收固定标签发送的射频功率信号值，并封装成数据帧发送给有源RFID读写器；RFID读写器通过RS-232串口将数据帧发送给定位服务器；定位服务器采用基于RSSI定位方法的三角形加权质心算法进行定位计算，实时显示移动标签的位置坐标信息。

系统主要包含3方面设计：①定位算法设计，基于RSSI定位方法的三角形加权质心算法计算移动标签的位置坐标；②定位跟踪模块硬件设计，包括固定标签、移动标签、读写器的硬件设计；③定位模块程序设计，包括固定标签、移动标签、读写器的程序设计，以及实时定位、历史数据显示、轨迹回放功能模块的程序设计。定位系统流程如图1所示。

（1）固定标签、移动标签、读写器部署：在应用场景中，按一定坐标位置、一定距离部署好固定标签，使固定标签信号能覆盖应用场景，然后将读写器通过RS-232串口与定位服务器连接。移动标签在应用场景中进行移动。

（2）设备初始化：打开有源RFID移动标签与有源RFID固定标签、有源读写器的电源，分别进行I/O、RF、RTC2初始化。

（3）发送功率：固定标签进行初始化之后，定期发射-18dBm、-12dBm、-6dBm和0dBm的功率射频信号功率值。

（4）接收功率：移动标签按照设定的时间周期轮询接收各个固定标签发送的射频信号功率值，并将其封装成数据帧后发送给读写器。

（5）读写器：读写器接收移动标签发送过来的数据帧，通过RS-232串口与定位服务器通信，将数据帧传输给定位服务器。

（6）定位服务器：接收读写器发送的数据帧并进行解析，然后采用基于RSSI定位方法的三角形加权质心算法计算移动标签的坐标位置，完成实时定位、历史数据显示、轨迹回放3大功能。

2 系统详细设计

2.1 定位算法设计

三角形加权质心算法的中心思想是：移动标签节点和所有参与定位的固定标签节点的坐标信息点围成几何多边形，计算多边形的质心坐标作为自己的估计位置。其具体计算流程为：固定标签节点向移动标签节点周期性地发射射频信号功率值，根据RSSI定位方法计算出移动标签与固定标签的距离，并且记录发射射频信号功率值的固定标签ID和位置坐标。当移动标签节点在接收到固定标签发送过来的射频信号功率值的数量超过移动标签设置的门限参数值后，认为该移动标签节点与发射信号功率值的固定标签节点两者之间处于连通状态，移动标签节点将自身坐标信息点和处于连接状态的固定标签节点的坐标信息点围成多边形，再将多边形分割为n个三角形，计算每个固定标签的权值（通过权值来体现固定标签节点对质心位置决定权的大小），最后求出n个三角形的质心坐标信息点M1（X1，Y1），M2（X2，Y2），M3（X3，Y3）…Mn（Xn，Yn），并计算所有坐标信息的平均值，作为移动标签节点的坐标M（X，Y）。其具体实现步骤如下：

2.2 定位模块硬件设计

定位模块硬件主要分为两部分：一是读写器，二是标签。标签具体可分为固定标签和移动标签。读写器的硬件由MCU（微控制器）、串口电路、射频收发模块、天线和电源5部分构成，硬件结构如图4所示。

在读写器的硬件结构中，射频收发模块连接天线后接收移动标签传输过来的射频信号功率值，接口电路对功率值进行放大、滤波等处理，再由SPI接口发送给MUC进行解码、纠错等处理，最后将功率值通过串口发送给定位服务器。

移动标签和固定标签由电源供电模块、射频收发模块和微控制器模块3部分构成，标签硬件结构如图5所示。

微控制器MCU是移动标签、固定标签的核心部分，它控制读写器与标签之间的通信协议，射频收发模块主要完成功率值的接收与发送，有源RFID固定标签通过射频收发模块发射射频功率信号值，并形成一定区域的磁场圈，有源RFID移动标签通过射频收发模块接收固定标签发送的功率值，并发送给读写器。

2.3 定位模块软件设计

2.3.1 下位机软件设计

下位机软件设计包括固定标签、移动标签和读写器的程序设计。移动标签主要完成与固定标签之间的相关通信，其周期性地接收固定标签发射的射频信号功率值，并形成数据帧发送给读写器。读写器接收数据帧后发送给定位服务器，定位服务器对数据帧进行读取、解析，采用基于RSSI定位方法的三角形质心加权算法计算位置坐标完成定位。固定标签、移动标签、读写器三者间的通信流程如6所示。

数据传输是定位模块的关键部分，数据帧格式的设计对患者跟踪定位模块获取正确数据进行定位起到关键性作用。数据帧由帧头、移动标签ID、固定标签ID、对应的固定标签发射功率值组成，数据帧格式设计如表1所示。

（1）有源RFID固定标签程序设计。有源RFID固定标签程序设计主要包括参数设置、初始化、发送射频信号功率值3部分。参数设置包含数据发送地址、数据包长度、发送地址长度等设置，初始化主要包括：I/O、RF、RTC2等初始化。

（3）读写器程序设计。读写器主要接收移动标签发送的数据帧，并通过串口发送给定位服务器。有源RFID读写器程序设计主要包括参数设置、初始化、存储数据。参数设置包含接收地址、数据包长度、NVN存储区域等设置，初始化主要包括：I/O、RF、RTC2初始化。

2.3.2 上位机软件设计

上位机软件使用C#编写，主要包括3个功能：①实时位置坐标显示（移动标签坐标）；②历史数据显示，可以判断移动标签近段时间内的活动场所；③轨迹回放图，将移动标签活动的位置信息绘制出来，从轨迹图中可以直观了解移动标签的活动区域。上位机软件流程如图8所示。

（1）定位服务器接收读写器发送的数据帧，判断数据帧的帧头是否是‘H1，然后判断数据帧的有效长度。

（2）采用基于RSSI定位方法的三角形加权质心算法计算移动标签的位置坐标。根据RSSI定位方法，首先将接收到的射频信号功率值转换为坐标信息点。所有的坐标信息点可以组成一个不规则的n边形，将多边形分割为n个三角形，然后再根据三角形加权质心算法计算出移动标签的坐标位置。

（3）得到位置坐标信息后，在上位机软件添加地图，设置好地图背景，完成创建画笔对象和设置画笔属性一系列操作后，将移动标签的位置坐标信息绘制在地图上，实现定位功能。

（4）创建一个集合对象，将绘制在地图界面上的坐标位置数据存储在集合中。对集合进行遍历，获取所有的坐标位置数据，重复第4步操作，将所有的坐标位置数据绘制在地图上，然后用创建好的画笔对象将坐标信息点之间相连，得到患者的轨迹图，实现轨迹回放功能。

（5）将读写器传输过来的移动标签号ID、对应发送的固定标签ID及其发送的射频信号功率值、三角形加权质心算法计算出的坐标位置数据存储在数据库中，当要获取历史数据，可以根据存储的定位信息来完成历史数据的显示功能。

3 实验教学内容设计

结合有源RFID技术的功能、开发技术，以及室内无线定位系统的具体功能，设计了实验教学内容，其主要包括设计型实验和综合型实验。设计型实验的主要教学目的是让学生掌握C#语言编程，以及有源RFID的基本操作功能；综合型实验的主要教学目的是让学生掌握室内无线定位系统下位机、上位机相关功能的程序设计，以及有源RFID技术的综合应用。主要实验教学内容如表2所示。

目前，基于指纹技术、模式识别、机器学习的无线网络室内定位技术正在进行大量研究，因此該实验教学系统还可作为科研平

台使用。

4 结语

本文以RFID技术为基础，设计室内无线定位实验教学系统，对系统的实验功能需求进行了分析，设计了基于该实验系统的实验教学内容，并探讨了该系统在科研方向的应用。该实验系统对培养RFID领域的研究设计型人才具有重要作用。

参考文献：

[1]周艳.基于RFID的物联网仓储实验系统设计[J].长江大学学报，2012，8（9）：121-123.

[2]吕岑，毛云川，宋铁成，等.基于RFID和ZigBee技术的物联网实验系统硬件设计与实现[J].信息化研究，2012，38（1）：13-16.

[3]刘佳，刘柏全，宋铁成，等.一种物联网教学实验系统的设计与实现[J].电气电子教学学报，2010，32（6）：89-92.

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[5]颜辉.CDIO教学实验系统中RFID的应用与实现[J].吉林工商学院学报，2011，27（5）：68-71.

[6]谭志，黎学超，徐志勇.多功能网络化控制实验系统的教学[J].电气电子教学学报，2013，35（1）：78-80.

[7]熊浩瀚.基于A20的多频段RFID读写器软件设计与实现[D].成都：电子科技大学，2015.

[8]王鹏，赵晴，杨凯文.改进的RSSI质心定位算法[J].软件，2014（1）：55-57.

（责任编辑：黄 健）

英文摘要Abstract：Based on RFID technology，the indoor wireless positioning experiment teaching system is designed.The system consists of four parts including active RFID fixed tags，active RFID mobile tags，active RFID reader，positioning server.The fixed label of RFID regularly transmits the radio frequency power signal value of the -18dBm，-12dBm，-6dBm and 0dBm.The RFID mobile tag periodically receives the RF power signal value sent from the fixed tag and encapsulates the data frame into the active RFID reader.The RFID reader sends the data frame to the location server via the RS-232 serial port.The positioning server adopts the triangular weighted centroid algorithm based on the RSSI localization method to locate the position and display the position coordinate information of the moving tag in real time.In view of the system design，the experimental function of the system is analyzed，and the experimental teaching content，which involves both design experiment and integrated experiment，is proposed according to this experimental system.Furthermore the application of the system in scientific research is discussed.The experimental system plays an important role in the cultivation of research design talents in the field of RFID.

英文关键词Key Words：RFID； Indoor Wireless Location； Experimental Teaching System； RSSI； Triangle Weighted Centroid Algorithm