一种基于RFID的室内定位系统设计

李岩 彭丽莎 余君明 李凤麟 武汉工商学院

1 引言

定位技术分为室外定位技术和室内定位技术，常见的室外定位技术包括GPS定位、基站定位等，其中以GPS定位技术应用最为广泛。中国北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，它的定位精度为10米，测速精度为0.2米/秒，授时精度为10纳秒，能在全球范围内全天候、全天时提供高可靠、高精度的定位、导航、授时服务。

不论是GPS定位技术，还是我国北斗卫星导航系统，在室内环境中难以发挥用武之地，这是因为建筑物内部结构非常复杂，导致卫星信号严重衰减，无法达到精确定位的要求。

常见的室内定位技术包括Wi-Fi定位技术、蓝牙定位技术、RFID定位技术、ZigBee定位技术等等。任何一种室内定位技术既存在优势，也存在不足。本文中描述的系统特点包括：低功耗、速率快、穿透力强、成本低、体积小，因此选择RFID室内定位技术设计系统。由于RFID技术不具备网络通信特征，且需要低功耗，因此选择ZigBee网络通信技术。

2 系统整体设计思路

本系统的实质是一个救援报警系统，被定位的对象在发生危险或突发疾病的情况下，能够迅速的按下手环上的报警键一键报警，本系统的应用场景设定为养老院、护理中心或医院等医护、医养场所。当被定位对象报警后，护理人员的手持移动终端上会有声音报警，同时在界面上显示报警人所处的位置。与此同时，在医养机构的监控中心，也收到了报警，在服务器上建有一个Web系统，用于实时监控被定位对象的情况。

本系统的设计由4部分组成，包括手持移动终端、可穿戴设备（手环）、上位机服务器、网络数据通讯模块。

手持移动终端是一个基于Android系统的移动设备，本系统中将手机作为手持终端，通过一个APP软件用来接收定位对象发送的信息，同时用手机铃声进行报警，在这个APP中通过闪烁红色原点的方式，显示报警人所处的位置。

手环中包含RFID标签，用于当被定位人发生危险时，如突发疾病等情况下，能够通过触碰按钮一键报警；若是误报，则允许报警人再次按下按钮，取消报警。

上位机服务器用于接收手环报警信息，并能够实时监控手环的在线状态，当手环在线时呈现绿色，当手环报警时呈现红色；若出现误报，则允许报警人手动取消报警，闪烁的红圆点变为绿色。同时，上位机服务器保存报警人的基本信息。

网络数据通讯模块包括网关、参考节点，将ZigBee模块作为参考节点和盲节点，通过网关接收各节点发送的数据，上传到上位机服务器进行数据处理。参考节点是一个位置固定的ZigBee模块，它已知自己的位置，将自己的位置信息发送给盲节点。

3 系统软件设计思路

3.1 上位机服务器软件设计思路

上位机服务器软件是一个用Java语言编写的Web信息系统，其功能包括：

（1）实时显示建筑物地图，建筑物地图由医养机构提供，并在计算机中进行图形建模，同时显示房间中佩戴了手环的被养护人状态。若被养护人的状态正常，则显示绿色圆点；若发生报警，则相应的位置显示红色圆点；若误报，则允许报警人在手环上取消报警，同时红色圆点变为绿色。当医护人员处理完警情后，在系统中单击确认，则红色圆点变为绿色。

（2）数据库系统，用数据库存储被养护人的基本信息，如姓名、年龄、亲属、亲属联系方式、家庭住址、病史等等信息。

（3）该系统还能进行数据分析，分析被养护人报警的次数，从而判断出被养护人发病的次数；还能分析被养护人报警的时间段，从而判断报警人在一天中哪个时间或一年中哪些季节，发病的次数较多。能够为医养机构的医护人员提供疾病预判的参考数据。

（4）通过三边定位算法，判断报警人所在的位置，显示在软件地图中。三边定位算法的原理是：已测出盲节点到不共线的三个参考节点的距离分别为D1、D2和D3，则以三个参考节点的坐标为中心，D1、D2和D3作为半径分别画三个圆，则可以求得盲节点的坐标为三个圆相交的点。但在实际测量中，由于测量的误差，三个圆没有相交于一点，本系统中使用加权的方式改进三边定位算法，即以三个参考节点测量的距离为一组，进行分组，然后将测得较远参考节点的距离加权，最后将每个组合得到的结果再加权，得到盲节点的位置。

3.2 手持终端设备软件设计思路

手持终端设备使用Android系统，手持终端设备软件是一个APP。该APP功能比较简单，即实时显示被养护人的状态和报警位置信息。该APP中的地图由医养机构提供，在Android环境中图形建模。当被养护人处于正常状态时，APP上显示被养护人所处的位置为绿色圆点；当被养护人通过手环报警后，APP上对应的该被养护人所处的位置为红色、闪烁圆点，同时手持终端设备上的蜂鸣器或铃音启动；若误报，则允许报警人取消报警信息，同时红色圆点变为绿色；若医护人员处理完警情，则在手持设备上单击确定，将红点变为绿点。

4 系统硬件设计思路

硬件设计包括网关、电子标签、阅读器和ZigBee模块、参考节点的设计。

网关设计包括无线通信模块和辅助功能模块。无线通信模块主要用于电子标签、阅读器、参考节点、盲节点、上位机服务器中间的信息传递，是本系统中的核心部分。辅助功能模块主要负责完成串口通信、供电、将获取的数据写入上位机服务器中的数据库等辅助功能。

电子标签、阅读器和ZigBee模块的设计。上位机服务器发送请求，网关将ID等信息无线发送给ZigBee模块，ZigBee模块将信息转发给控制芯片，控制芯片通过调制的方式转换编码，然后通过天线以广播的形式不间断的发送信号。当有电子标签进入该区域，则附近的ZigBee模块都会捕获该标签，计算出标签与ZigBee模块之间的距离，取三个最近的距离数值，再将得到的距离数值通过网关发送给上位机服务器，用改进的三边定位算法估算出电子标签所处的位置。

5 结束语

本文描述的系统是一种基于RFID技术，用ZigBee组网的室内定位系统，定位算法采用了改进的三边定位算法，该系统主要用以判断人员所处的位置。该系统由上位机服务器、手持终端设备、网关、RFID标签和阅读器、ZigBee模块组成，本文详细描述了各组成部分的设计思路，以期实现一个低功耗、低成本、穿透力强、效率快、体积小的室内定位解决方案。