隨著移動通信需求的日益增長，允許訪問特定位置信息在普適計算及應用方面表現(xiàn)出廣泛的重要性,。在室外環(huán)境下，基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）的全球定位系統(tǒng)（GPS）或者北斗星定位系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足一定的室外定位需求,。然而，這些技術(shù)并不能很好的運用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中,，必須采用一些替代技術(shù),。為了實現(xiàn)這個目標，基于IEEE802.11無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）的技術(shù)提供了一個高性價比的解決方案,。實際應用中也已經(jīng)提出了許多算法方案,，包括測量接收信噪比（SNR），以及使用更廣泛的接收信號強度指示（RSSI）,。室內(nèi)定位問題必須要考慮室內(nèi)環(huán)境所表現(xiàn)出的傳輸信道特性,，由于墻壁和障礙物的影響，會帶來多徑衰弱,、吸收以及遮蔽等一系列問題,。因此，基于幾何角的測量技術(shù),，比如到達角（AOA）,、到達相位（POA）、到達時間（TOA）或者到達時間差（TDOA）不能很好的應用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中,。近幾年,，隨著射頻識別技術(shù)（Radio FrequentlyIdentification，RFID）的不段完善和推廣,，并且憑借其重量輕,、功耗低和識別能力強等獨特優(yōu)勢，逐步運用在各種場合中,，如身份標識、工程控制和定位追蹤等領域,。本文的研究重點是將研究Wi-Fi無線傳輸技術(shù)與RFID識別技術(shù)相結(jié)合,，通過RFID標簽來實現(xiàn)Wi-Fi系統(tǒng)定位的解決方案。據(jù)初步檢索,，國內(nèi)對基于Wi-Fi的RFID定位技術(shù)研究工作尚不多見,，本文的工作是將對基于Wi-Fi的RFID定位系統(tǒng)的定位方案進行探討。

1 定位系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

射頻識別技術(shù)（RFID）是20世紀90年代起新興的一項自動識別技術(shù),，它主要通過標簽對應的唯一ID號識別標志物,。與傳感器技術(shù)類似，RFID技術(shù)被認為是物聯(lián)網(wǎng)（The Internetof Things）一項支撐技術(shù),。某些人認為,，前者只是識別，沒有處理的能力，而后者可以對感知到的物品進行處理,。和傳統(tǒng)的磁卡,、IC卡相比，射頻卡最大的優(yōu)點就在于非接觸,，因此,，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境,。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,，操作快捷方便。

RFID是一種簡單的無線系統(tǒng),，只有兩個基本器件,，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體,。系統(tǒng)由一個閱讀器和多個標簽組成,。

RFID技術(shù)利用無線射頻方式在閱讀器和標簽之間進行非接觸雙向傳輸數(shù)據(jù)，已達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的,。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：電子標簽（Tag）,、讀寫器（Reader）和在標簽與讀卡器間傳遞射頻信號的微型天線（Antenna）。

我們下面將要研究的定位測試平臺主要由多個支持RFID讀寫器功能的Wi-Fi接入點和內(nèi)置有RFID標簽的Wi-Fi終端組成,，圖1所示為定位系統(tǒng)的硬件框圖設計,。



圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 定位方案

基于Wi-Fi的RFID定位方案我們將考慮采用以下兩種解決方案：（1）基于信號強度和到達時間差復合定位方案；（2）基于位置距離和角度的定位方案,。

2.1 基于信號強度和到達時間差復合定位方案

對室內(nèi)Wi-Fi終端進行定位前,，首先根據(jù)室內(nèi)實際情況規(guī)劃出室內(nèi)的終端分布圖，存入信息處理數(shù)據(jù)庫,；然后根據(jù)室內(nèi)分布情況設置AP接入點,，同時我們需要設置一個位置固定的參考標簽，作為測量基準點來幫助進行位置校準,，設置的接入點數(shù)量根據(jù)具體的室內(nèi)情況而定,。

當Wi-Fi終端進入室內(nèi)后，AP接入點內(nèi)的RFID讀寫器被喚醒,，再由讀寫器發(fā)出一個無線喚醒信號,，喚醒Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標簽。標簽接收到喚醒信號后,，從休眠模式中喚醒,，然后比較自身ID號與接收信號中的ID號是否一致，ID號不相符的標簽再次進入休眠模式,，而ID相符的標簽則進入接收模式,，接收信號并定位解算出其位置數(shù)據(jù),，并將位置數(shù)據(jù)送到處理器進行處理。文獻中已經(jīng)研究了基于RFID的停車場無線定位方案,，而我們提出了一種基于Wi-Fi的RFID定位方案,，通過多個Wi-Fi AP接入點內(nèi)的讀寫器分別讀取待定位Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標簽，將獲得的位置數(shù)據(jù)進行融合,，最終得到RFID標簽的位置信息,。如圖2給出了基于該定位算法的結(jié)構(gòu)化框圖。



圖2 基于信號強度的定位算法框圖

基于信號強度的定位算法是用一個位置已知的參考標簽與待定位Wi-Fi終端的標簽接收同一個AP接入點的定位信號,。參考標簽所測得的位置與該點已知值進行比較后,，獲得讀寫器的定位數(shù)據(jù)的校正值，然后及時將此校正值發(fā)送給待定位的標簽,，修正標簽所測得的實時位置信息S,，并將此信息上傳給讀寫器。在此過程中始終保持只有一個讀寫器工作,，其余的讀寫器處于休眠狀態(tài),，當一個讀寫器完成位置信息采集后，再由其他讀寫器完成同樣的過程,，這種定位方式下至少需要進行3次位置信息的采集,。假設信號強度公式與讀寫器和標簽之間的距離有關，則簡單信號傳播模型可用式（1）表示：

P（r）=（P）-10alog（r/0r）（1）

式中,，P（r）為標簽接收到的信號功率,；r為標簽與讀寫器的距離；r0為相對于讀卡器的參考距離,； P（r）0為該參考點的信號功率,，參數(shù)a為路徑損耗隨著距離r的增加而增加的速率。需要指出的是,，通過該模型計算出的某個位置信號強度往往被估計得過高,，實用性不大，比較實用的信號強度模型在文獻中有比較詳細的介紹,。

采用到達時間差（TDOA）算法是通過測量不同讀卡器接收到同一標簽的定位信號的時間差,，并由此計算出標簽到不同讀寫器的距離差。標簽到任何兩個讀寫器的距離差D為定值,，標簽必定位于兩個讀寫器為焦點的雙曲線上，當同時有N個讀寫器參與測距時（N≥3）,，由多個雙曲線之間的交匯區(qū)域就是對標簽位置的估計,。TDOA只是測量各讀寫器接收到的同一標簽定位信號的到達時間差，參加定位的各個讀寫器在時間上不要求嚴格同步,。假定測量第i個讀寫器和第j個讀寫器的到達時間分別為TAi和TAj ,，那么信號到達第i個和第j個讀寫器的時間差就是TAji=TAi -TAj,，它們的距離差Rji=C*TAji ，則標簽坐標與讀寫器坐標存在如下關系： 



解上述方程組,，利用基于信號強度定位算法算出的坐標值及一些先驗知識（如室內(nèi)半徑）從其兩個解中分辨出Wi-Fi終端的具體位置,。

2.2 基于位置距離和角度的定位方案

文獻中，P.Munishwar等人提出了一種基于RFID的機器人定位方案,，我們在此工作基礎上提出了一種可以運用在Wi-Fi系統(tǒng)中的終端定位方案,。該方案與基于信號強度的定位方案的不同在于引入了方向角的計算，通過距離和角度信息來實現(xiàn)Wi-Fi終端的定位,。在Wi-Fi系統(tǒng)中需要設置了一個或多個傳感器,，用來跟蹤待定位終端的運動，這些傳感器可以通過串行接口進行查詢,，并返回自上次查詢之后終端的運動距離和角度信息,。

內(nèi)置在Wi-Fi終端內(nèi)的RFID標簽允許待定位終端確定它的絕對位置（x，y）,，而位置的不確定性等于RFID讀寫器的最大標簽感知半徑,。

系統(tǒng)定期運行算法一次（比如50ms），來獲取和處理傳感器和RFID讀寫器的數(shù)據(jù),。

通過RFID技術(shù)定期的重新校準終端位置和角度數(shù)據(jù),，每次定位算法運行時，它讀取傳感器兩次查詢之后的距離和角度差值變化,，并把變化值分別累加到已知的位置和角度上,，并且復位傳感器。傳感器可以從標簽兩次測量的坐標（x1,，y1）,、（x2，y2）來判斷它的運動方向,，即：



如果終端在一條直線上運動,，那么△θRFID等于0，最后根據(jù)終端的位置和角度信息,，我們就可以對終端進行定位,。圖3給出了該定位算法的結(jié)構(gòu)化圖示。



圖3 基于終端位置和角度的定位算法框圖

3 結(jié)語

本文主要探討了基于Wi-Fi的RFID定位系統(tǒng)的定位解決方案,，主要對基于信號強度的定位方案以及基于距離和方向角的定位方案,，相關試驗結(jié)果表明：這兩種定位算法都可以達到精度為1米左右的定位誤差，可以滿足室內(nèi)定位的精度需求,，并且鑒于RFID設備在軟硬件成本上的優(yōu)勢,，RFID定位解決方案具有廣泛的實用潛力。