基于射频识别定位技术的视频联动系统研究与设计

摘要：随着无线定位技术发展，基于位置感知的服务在智慧城市中的建设中被广泛应用。为此，文章探讨基于射频识别定位技术的视频联动系统及设计测试。首先，文章介绍射频识别定位技术研究现状；然后设计实现基于射频识别定位的视频追踪系统；最后测试系统功能，分析系统应用中存在的技术不足。

关键词：射频识别；定位；视频联动

中图分类号：TP3 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）17-0100-04 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

随着便捷、安全、透明等社会需求发展，部分特殊场所，对室内定位需要应用越来越广泛，也需要克服一些技术难题。目前，定位技术研究包括红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、射频识别定位技术等，但是在实际应用中各有优缺点，为此，本文基于射频识别定位技术，研究定位与视频联动系统并设计测试。

1 射频识别定位技术研究现状

1.1 应用现状

该技术利用RFID标签和读写设备之间的无线射频信号交互来实现物品的快速识别和定位。RFID标签由芯片和天线组成，可以贴在物品表面或内部，并通过与读写器的无线通信技术完成信息传输[1]。借助RFID定位技术，可以非常方便地获取被标记物品的位置、移动轨迹以及状态等信息，从而实现精准的物流管理、生产管理、库存管理等应用场景。RFID定位技术具有高效、自动化、精度高等多种优势。

1.2 测距原理

基于射频识别技术测距原理为：系统由位置采集器、RFID和位置标签组成，每个位置标签写入不同的信息；位置标签接收位置采集器发送的无线信号后，将存储的数据回传；位置采集器通过RFID接收到多个位置标签的信号数据，同时检测数据的信号强度、相位值等参数；从处理后的数据中计算出唯一的有效读取模型；将读取模型与标准模型进行对比，对比出匹配程度最高的模型，同时计算出与标准模型的离散度，根据标准模型和离散度计算出位置数据。

1.3 定位算法

1） RSSI算法。在不考虑有遮挡等误差的情况下，待测点将会落在三个基站以距离为半径的三个圆的交点处。在实际的应用中难免会有误差，使得三个圆不能交于一点，这时一般的做法就是采用最小二乘法[2]。

2） AOA定位算法。到达角度测距（AOA） 定位算法的主要思想：通过至少两个基站设备，测出移动标签与基站角度基准线的夹角，再运用三角函数定位移动标签的位置坐标[3]。

3） TOA 定位算法。到达时间定位算法TOA 与RSSI匹配定位算法基本相同，区别在于RSSI通过信号强度匹配来确定距离，而TOA直接测量时间差换算为距离。他们的方程和解法基本相同，这里不再复述。

4） TDOA 定位算法。TOA 中待测点负责接收，TDOA中基站负责接收。基站A，B接收到待测点的信号，记录下时间Ta，Tb，由于不知道待测点发送数据的时间，但是却可以计算到达基站A与基站B的时间差T=（Ta-Tb），这个时间差可以确定一条曲线。

2 基于射频识别定位的视频追踪系统设计

2.1 系统原理

本系统由前端定位传感设备、信号采集与处理系统、网络传输与分析控制系统等组成，将多定位传感器感知到的空间信息（时间、位置坐标等）映射到统一空间，形成轨迹数据，并且与关联空间内摄像机联动，具备了定位信息与视频监控联动、运动目标跟踪监视、主动预警等多功能的信息综合系统[4]。

2.2 系统采用定位算法

本系统采用基于RSSI的定位方法，该方法是已知发送器的信号强度，再记录接收器的信号强度与之进行比较，计算信号强度的衰减程度，然后按照相关的衰减模型演算出发射端与接收端的距离，最后通过三边定位法获得定位位置信息，如图1所示。

设 A基站坐标为（x1，y1，z1），B基站坐标为（x2，y2，z2），n基站坐标为（xn，yn，zn），待测点的坐标为（x，y，z）。则有方程组（1） ：

（x - x ） j2 + （y - y ） j2 + （z - z ） j2 = c2j，j = 1，2，3...n （1）

直接求解以上 n 维的非线性方程组是比较困难的，可以通过第 j=1，2，3...n 个方程减去第一个方程，得方程组（2） ：

2（x1 - x ）j x + 2（y1 - y ）j y + 2（z1 - z ）j z =c2j- c21+ （ ） x21+ y21 + z21- （ ） x2j+ y2j + z2j，j = 1，2，3...n（2）

这是一个关于 X=（x，y，z）的线性方程组（3） ：

通过对矩阵求偏导可以得到最小二乘法的方程组（5） ：

X = （AT A）-1 ATB （5）

使用矩阵计算库或者工具可以很快地计算出 X 的坐标。

2.3 前端定位传感设备覆盖

在室内部署前端定位传感设备，主要负责实时接收位置标签信号，同时要求传感设备信号可以覆盖到室内的任意角落，活动人员佩戴位置标签后，会实时发出RFID信号，前端定位传感设备实时接收位置标签发出信号，同时根据基站覆盖角度，以及位置标签到达基站的直线距离，即可得到位置标签的实时位置，进而得到活动人员在室内实时位置，在同步关联视频监控系统后，即可实现活动人员在室内全程视频轨迹跟踪。

前端定位传感设备的覆盖范围为：以基站为顶点，90°夹角的圆锥体，即圆锥覆盖范围的边界同垂直方向为45°夹角，因此，单个基站的地面覆盖面积为：以高为半径的圆的面积，如图2所示。

精确的单个前端定位设备的覆盖面积为，前端定位设备至位置标签为半径的圆的面积；多个前端定位设备覆盖区域为地面投影圆组成的相交圆，需考虑相交圆重叠部分的面积，如图3所示。

2.4 系统架构

本系统在前端部署定位设备及视频监控设备，通过定位服务器和行为分析服务器等设施实施采集和计算室内活动标签的位置信息并分析活动标签的行为，同时与视频监控设备联动，实现位置实施可视化查询等功能，系统总体网络架构如图4所示。

2.5 设施部署

本系统在室内区域根据覆盖面积部署前端定位设备的安装位置、数量，同时在区域内部署视频监控设施，确保定位设备和视频监控全覆盖，如图5所示。当位置标签进入走廊，前端定位设备采集到标签位置，经过分析计算，与走廊内视频监控设施联动，启动录音录像。以该位置标签为特征，形成活动轨迹，进而与视频监控设备联动，形成该位置标签的完成活动录音录像轨迹。

2.6 系统实现功能

2.6.1 定位轨迹及视频追踪

用户可以对登记人员的历史定位信息进行查询，并可以查看轨迹和录像，除此之外，还可以下载录像和导出登记信息，以便执法过程有据可查。

2.6.2 定位预警

实时定位：平台支持用户在地图上查看已经登记过位置标签信号的人员的位置，还可以在地图上按标签搜索人员位置。用户在地图上选择人员，可以查看其关联的实时视频，也可以查看该人员从登记到当前时间点内的轨迹及录像。

定位报警：平台支持对定位报警进行查询，例如：位置标签信号拆卸报警、标签消失、接收器无数据等，并可以对当前已查询出的定位报警按照筛选条件进行分类显示。

人数统计：系统定位客户端支持实时查看室内的人员的当前位置，并对定位状态进行实时更新，可实时统计室内各个功能室的人数。

视频联动：系统根据标签确定后的位置，接通视频监控，报警时可自动关联标签所在位置附近的摄像头，或手动查看当前或历史视频监控。

求助报警：活动人员佩戴的定位标签有紧急报警按钮，当发生紧急情况时可按下按钮发出报警信息，此时定位系统能实时追踪求助人员的位置。

无人值守预警：部分场所室内，活动人员进入室内后，必须有人员看管。系统支持实时监测室内区域的巡视活动人员的人数，如果检测到没有巡视活动人员值守，则系统报警提示。

单人滞留预警：系统支持单人滞留预警功能。部分场所室内，活动人员不得少于二人，系统通过无线人员精确定位技术，当室内出现活动人员单人滞留时，系统发出单人滞留预警。

活动超时提醒：活动人员进入室内后，系统可对活动人员在室内的活动时间进行监测统计。系统可以指定某一个活动人员设定最长活动时间。

防接触预警：系统支持在人员登记时录入信息的时候为对应的人员打标签，如果需要避免活动人员接触时，相关活动人员信息加入一个相同标记，当带相同标记的人进入同一个区域时系统会自动告警。

非法进入预警：系统支持在室内设定某个区域，并支持对允许进入此区域的人员进行授权，一旦有未授权人员进入该区域时系统会自动告警，并可同时弹出视频。

非法外出预警：活动人员被带出室内域时，有时经过系统授权过后才能出去，否则系统会自动告警提示。

一键刻录：系统支持一键刻录功能，即在活动结束之后，所有音视频数据根据活动轨迹打包成一份数据包，负责归档的活动人员可进行一键刻录，省去了活动人员去找视频逐一刻录的麻烦。

2.6.3 安防

视频预览：平台具有常规的视频应用功能，支持视频巡逻。用户可以在视频预览过程中进行多窗口预览，并支持在预览过程中进行抓图抓录、即时回放、码流切换、云台控制与锁定等操作，并可以对视频参数进行设置。

预制监控画面：平台支持预制多种应急预案，设置各种预案情况下的监控画面组成，包含画面分割、通道、主子码流，同时可设置视频跟踪预案，在不同的时间自动控制快球转换到需要重点监控的部位。

语音对讲：平台支持对设备进行对讲，可通过平台视频监控客户端对前端监控设备进行语音对讲，并可设置对讲时自动录音。

在线统计：平台支持实时查看及文字或图标显示监控区域内监控点数量，并且上报统计信息。

模糊搜索：平台支持对监控点进行模糊搜索，支持拼音首字母，汉字首字母查询，多关键字搜索（通过空格输入多关键字），搜索结果进行过滤展示。

收藏监控点：用户可以根据自己的需要在预览监控点的时候，把监控点放入收藏夹，同时收藏夹可以创建多级子分组，将监控点按照不同维度进行划分。

录像回放：平台支持按照通道、日期、时间段和录像类型等条件对录像进行检索，检索之后可对录像进行回放，支持按照事件回放、分段回放、标签回放等多种回放方式，并支持在回放过程当中进行抓拍抓录。

3 数据测试

本系统经过测试，可以实现定位轨迹及视频追踪、定位预警、实时定位、定位报警、人数统计、视频联动、求助报警、无人值守预警、单人滞留预警、活动超时提醒、防接触预警、非法进入预警、非法外出预警、一键刻录、视频预览、预制监控画面、语音对讲、在线统计、模糊搜索、收藏监控点、录像回放等功能，准确率如表1所示。

4 结束语

本文首先介绍射频识别定位技术研究现状；然后设计实现基于射频识别定位的视频追踪系统；最后测试系统功能。经研究，本系统能实现定位与视频联动功能，但是在测试过程中发现系统还存在定位信号出现飘逸、室内部分墙体遮挡信号发送与接收的不足，还有待进一步研究。

参考文献：

[1] 郑春达.一种优化的RFID室内定位算法[J].集成电路与嵌入式系统，2024，24（3）：46-50.

[2] 邵金均.基于RSSI测距的室内定位算法优化[J].中国新通信，2018，20（20）：175-177.

[3] 黄凤英.基于RFID的室内定位技术综述[J].武夷学院学报，2023，42（9）：81-87.

[4] 张琳.基于多技术融合的室内外无缝定位系统研究[J].长江信息通信，2024，37（4）：210-213.

【通联编辑：朱宝贵】