基于RFID的智能滑雪场定位系统研究
2017-07-16吕国肖瑞雪武杰
吕国+肖瑞雪+武杰
摘 要：研究根据智能滑雪场的安全管理需求，提出了基于RFID的定位系统，主要功能包括：雪具追踪调用，工作人员监管和游客安全保障。系统基本硬件包含读写器、参考标签、待定位标签和后台计算机，底层编程使用C语言编写，实时显示界面使用VB6.0实现。采用修正优化后的LANDMARC算法使系统能实现更为精準稳定的定位功能。
关键词：智能滑雪场；RFID 定位系统；LANDMARC算法
一、技术背景
定位技术目前已广泛应用于军事、导航、探险等领域中，GPS、Galileo等技术具有较强的稳定性，且定位精度在几米以内，正逐渐渗透到商业活动和人们生活的方方面面。随着社会发展，人们在生活中对导航的需求逐渐集中于小范围的精确定位，如仓库、停车场、校园、景区等。红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、Wifi定位技术等都应运而生，其中射频识别技术又称RFID（Radio Frequency Identification）技术由于其高频信号的通信距离超过百米，抗干扰能力强，环境适应性强，被视为最有前景的定位技术之一[1]。随着冰雪运动的发展和普及，滑雪场的数量和规模在不断扩大，但管理模式，安全策略等方面都存在改善空间。本研究提出了一种基于RFID的雪场定位系统，可以实现滑雪场内部人员和雪具的智能化管理。RFID射频识别技术工作过程不需人工干预，具有降强的耐寒耐湿性，可以同时识别多个高速运动的物体，满足滑雪场的应用需求。
二、系统功能
射频识别技术（RFID）是指不需要在识别系统与特定目标之间建立直接的机械或光学接触，借助无线电信号就可以识别目标并实现读写相关数据的功能。通过在定位区域分布安装读写器，在被定位目标上安装电子标签，可以利用读写器与电子标签之间的通信确定目标位置。在滑雪场内可以为雪具安装电子标签，为工作人员和游客提供内置电子标签的智能手环，在各个室内功能区域和滑雪区安置读写器，实现以下系统功能：
（1） 雪具追踪调用：可以对滑雪场内部的雪具仓库和雪具进行准确定位，雪具的种类、数量、仓库储存量等都可以在后台准确获知，查询雪具进出库的数据列表，便于采购、清理、维修和调度。如若发生雪具未及时归库的状况，也可以及时定位到遗失雪具的准确位置，便于管理。
（2）工作人员监管：对滑雪场内部的工作人员进行定位监管。在后台实时了解到工作人员的位置、移动轨迹，提高管理效率。通过轨迹的查询监督工作人员对滑雪场所有区域进行定时巡逻和检修，排除安全隐患。
（3）游客安全保障：滑雪场内部根据需求划分为儿童区、成人区、竞赛区等不同区域，通过定位技术保障游客不超出电子围栏，一旦有超出权限所在的设定范围，就会发出电子警报，防患于未然。如发生游客失踪或受伤状况，也可以准确定位，第一时间提供援救。
三、技术方案
（1）硬件设计。RFID系统根据不同的应用需求配备不同的功能组件，但基本上都包含读写器、电子标签、天线和后台计算机四个部分[2]。其中读写器是为了通过天线对电子标签进行数据的读取和写入，将读写器连接到后台计算机上可以实现对数据信息的处理，并以可视化的方式呈现给用户，也可以将指令信息通过读写器写入电子标签；电子标签一般安装在被识别物体上，具有唯一的标识码，根据相关指令将信息以无线射频信号的形式传送给读写器；天线分别安装在读写器和电子标签上，用来实现射频功率信号以电磁波的形式向四周辐射。
为了满足滑雪场定位的精确性与稳定性，本研究采用2.45GHz的有源RFID室内定位系统。该系统可以实现范围较大的定位功能，而且功耗低、体积小，在不接天线的前提下，电子标签与读写器的通信距离可以达到的30米到50米。该系统的电子标签由参考标签和定位标签两部分组成，标签内部又包括了微控制器（MCN）、射频模块和串口。微控制器是硬件核心，不仅控制着无线信息通信协议，还负责与后台计算机进行通信；射频收发模块具有工作电压、频率、工作、灵敏度等指标，对通信质量的优劣发挥着至关重要的作用；读写器接收到的信息需要通过串口发送到后台计算机，计算机采用特定的算法计算待定位目标的具体坐标，串口决定着通讯过程的质量与速率。
（2）软件设计。定位系统性能的准确定和稳定性不仅取决于良好的硬件设施，也需要配备性能优良的算法和软件支持。基于RFID技术的定位方法可分为两类，第一类是基于测距的定位方法，即通过测量两点之间距离，根据三边算法求出被定位目标的具体坐标，例如基于信号到达角角度测量定位法、基于信号到达时间差定位法等；第二类是基于网络连通性、链路质量等信息对目标进行位置估算，例如质心算法，APIP算法等。目前常用的是基于有源RFID动态校验的室内定位算法（LANDMARC）时，当被定位的目标进入读写器可识别区域时，读写器将电子标签的信号强度进行检测，并与已确定位置的参考标签进行匹配，选出最为接近的参考标签就可以估算出目标的具体位置[3]。本研究所提出系统的软件设计包含读写器与电子标签的通信实现，电子标签分为参考标签和被定位标签，与读写器的通信需要配置通信协议、数据收发模式等；还包含实时定位的可视化界面实现，需要确定定位算法，设计定位显示界面。
系统中读写器通过自动识别技术获取参考标签与待定位标签的信息，并将信息传送到后台计算机，计算机根据标签的信号强度值采用相关算法计算待定位标签所处的精确位置。在滑雪场中，需要布置若干读写器和参考标签，参考标签以不同功率向外发送信号，待定位标签检测到无线讯号时，将发射功率存储为数据包并通过读写器发送到后台计算机。其中待定位标签中需要配置参考标签的地址、数据包的格式、数据包发送的目的地址、发送模式、发射功率等相关参数；参考标签需要配置若干不同大小的发射功率值；续写器需要配置标签地址、收发模式、端口信息、RF初始，花、I/O初始化等参数[4]。以上参数的配置采用C语言编程实现，定位界面的设计采用VB6.0设计实现。endprint
（3）算法设计。滑雪场定位系统采用经典的LANDMARC算法实现定位功能，并在原基础上进行了部分修正，可以克服在环境相对复杂时，选择参考标签误差率大的问题。LANDMARC算法的工作原理是在定位区域引入了参考标签，当待定位标签进入定位区域时，选择距离接近的参考标签，读写器自动检测二者之间的RSSI值，通过选择N个参考标签计算RSSI值并统计权重，根据权重质心算法估算出待定位标签的位置坐标。采用此算法实现的定位准确性由读写器和参考标签的分布位置和间隔区间共同决定，分布密度低会降低准确率，分布密度高会增加定位成本。N的取值也会影响定位精度，取值小会引起大误差，取值大会增加计算量[5]。为了解决上述问题，本研究所述的系统对LANDMARC算法进行了修正，将定位区域分为若干个正方形区域，将参考标签的位置以正方形的形式分布，每个角分别布置一个读写器。在理想状况中四个参考标签与定位标签的欧式距离最小，就能实现最精确的位置计算。但在实际情况中信号的传送过程中由于环境的复杂性会产生多次反射、衍射等现象，使得参考标签的选取容易产生误差。为了将误差降低到最低，可以对LANDMARC算法进行优化，如：假设最近标签数的取值N为4，分别为L1，L2，L3，L4，依据LANDMARC算法计算出被定位标签的位置坐标为M（X，Y），其中L1与定位坐标之间的距离为（XL1-XM）2+（YL1-YM） 2的開方，同理可计算出L2，L3，L4与M点之间的距离，并在四个数值中选出最大的距离S1与参考标签分布四边形的边长A进行对比，如果S 四、结语 本研究根据滑雪场的管理需求，设计了一种基于C语言和VB6.0的定位系统，有助于扩大定位范围，提高定位精度，降低定位成本，具有良好的应用前景。 参考文献： [1]宋远峰，刘新.基于RFID的定位系统综述[J].数字通信，2013，40（4）：9-13. [2]罗春彬，彭龑，易彬. RFID技术发展与应用综述[J].通信技术，2009，42（12）：112-114. [3]李军怀，孙转宜，王一乐，等.基于虚拟参考标签的RFID定位系统构建方法[J].计算机科学，2011，38（4）：107-110. [4]张颖，李凯，王建伟.一种有源RFID局域定位系统设计[J].电子设计工程，2012，20（5）：68-70. [5]宋远峰，刘新.基于RFID的定位系统综述[J].数字通信，2013，40（4）：9-13. 作者简介： 吕国，副教授，硕士学位，主要研究方向为计算机网络应用、物联网。 注：本文系张家口市科技局科技类研究项目“基于RFID的‘智能滑雪场服务系统构建研究”（项目编号：1621012B）研究成果之一。
