基于ZigBee技术的RFID空间定位系统

中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-2552(2009)09-0102-04基于ZigBee技术的RFID空间定位系统房淑芬(辽宁省铁岭师范高等专科学校,铁岭112001)摘　要:通过ZigBee mote与RFID reader结合的方式应用随机数定位算法展示了一种低能耗的基于Zigbee技术的R FID空间定位系统,使得对佩带了Zigbee mote的人可以实时进行定位。

在本系统中,通过使用基于取样的表示方法,定位算法能够表示任意分布。

通过将系统实现的算法与算法原型比较,可以发现在Non-Line-Of-Sight(NLOS)场景下,本算法的定位错误(positioning er-r ors)有明显改进。

关键词:RFI D;ZigBee;空间定位算法RFID space location system based on ZigBee technologyFANG Shu-fen(Tieling Normal C ollege of Liaoning Province,Tieling112001,China) Abstract:This paper presented a low energy cost RFID space location system based on Zigbee technology by using the combination of ZigB ee mote and R FID reader,and random sa mpling algorithm,by which a person holding an Zigbee mote can be located in real time.In this system,by using the representation based on random sa mpling,the location algorithm can represent ar bitrar y distribution.According to the comparison of the algorithm implemented in this system and the prototype algorithm,we it is concluded that the location err ors in this algorithm have been distinctly impr oved under the scenario of Non-Line-Of-Sight(NL OS).Key words:RFID;ZigBee;space location algorithm0　引言移动计算设备、无线技术和Inter net的飞速发展,促使人们对位置感知的服务系统越来越感兴趣。

在许多应用中,都需要知道一个物体的确切位置。

其中,GPS[1]是最著名,也是应用最广泛的定位系统,它被用来对户外移动的物体进行定位。

对于室内的定位机制,有红外线[2]、超声波[3]、RFID[4]等等。

上面介绍了三种基于网络的定位机制。

它们的共同点是采用固定的接收装置来接收佩带在人或物体上的发射装置发出的信息并将这些信息通过有线网络转发到控制中心。

这些机制经常在一些跟踪系统中被采用。

红外线机制为每一个物体附带一个标签,这些标签周期性地通过红外线发射器发射自己的唯一的ID,固定的接收装置接收这些信息并通过有线网络将这些信息传到控制中心,通过这种方式来实现对室内物体的识别、定位。

但是,这种机制存在两个缺点,首先它要求发射装置跟接收装置之间的光线不能被阻隔,另外,它要求在一个建筑内布置一个有线的网络以进行数据的传输。

超声波机制与红外线机制的区别就是把红外线换成了超声波。

但是,由于目前超声波装置结构比较复杂,使得它的成本过高,目前还很难让大多数用户接受。

RFID定位的典型系统是LANDMARC(Location identification based on dynamic active RFID calibra-tion)[4],它使用tags和r eaders来实现定位。

这一系统的精确度随着所部署的tag的密度的增加而增加。

但是部署太多的ta g是不实际的。

收稿日期:2009-02-10作者简介:房淑芬(1965-),女,副教授,本科,研究方向为电子测量技术。

—102—1　典型基于RFID室内定位系统目前,部分用于室内定位的RFID系统已被建立,本文主要分析L AND MARC[4]系统,以及对于LANDMARC系统的算法改进。

LANDMARC系统是基于主动射频识别校验的动态定位识别系统,它采用定位参考标签来辅助定位,这些参考标签充当系统的定位参考点。

当标签处于检测范围内时,LANDMARC需要提供标签到读写器的信号强度信息。

然而,当前的RFID系统并不直接提供标签的信号强度信息,读写器仅仅检测标签的能量等级,因此必须找出能量等级和距离的对应关系。

LANDMARC系统采用“最近邻居”算法,通过信号的强弱来表征几何距离的远近关系。

假设现有n个RF读写器、m个参考标签和u 个待定位标签。

读写器在连续工作模式下,检测范围为1～8级,每三十秒检测一次。

定义待定位标签的信号强度矢量为S=(S1,S2,…,S n),其中S i表示待定位标签在读写器i上的值,i∈(1,n)。

对于参考标签,定义相应的信号强度矢量θ=(θ1,θ2,…,θn),其中θi表示参考标签在读写器i上的值。

对于每个待定位标签p,p∈(1,u),定义E j=∑ni=1(θi-S i)2,j∈(1,m),j∈(1,m),表示参考标签和待定位标签之间距离关系,E越小表示参考标签和待定位标签距离越近。

这样,参考标签的摆放位置、数量和相应最近邻居的权重成为设计系统时的三个主要因素。

对于一个未知的待定位标签,其坐标(x,y)通过下式表达: (x,y)=∑ki=1w i(x i,y i)其中w i为第i个邻居的权重,为E的函数。

在LANDMARC系统中,基于经验,通过下式给出:w j=1E2i∑ki=11E2i。

2　基于ZigBee技术的RFID室内定位系统Zigbee是部署无线传感器网络的新技术。

它是一种短距离、低速率无线网络技术,是一种介于无线标记技术和BlueTooth(蓝牙)之间的技术提案。

Zig-Bee的技术特性决定它将是无线传感器网络的最好选择。

数据传输速率低。

只有10kb/s～250kb/s,专注于低传输应用。

无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据,仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的数据,所以WSN对传输速率的需要不是那么高。

功耗低。

在休眠状态下耗电量仅仅只有1μW,通信距离短的情况下工作状态的耗电为30m W,在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月以上。

这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

WSN的节点对功耗的需求极其苛刻,传感器节点需要在危险(比如战场、核辐射)的区域持续工作数年而不更换供电单元。

ZigBee的耗电符合这一需求。

成本低。

因为ZigBee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本,这也正是蓝牙系统所不具备的。

无线传感器网络中可以具有成千上万的节点,如果不能严格地控制节点的成本,那么网络的规模必将受到严重的制约,从而将严重地制约WSN的强大功能。

网络容量大。

每个ZigBee网络最多可支持65000个节点,也就是说每个ZigBee节点可以与数万节点相连接。

由于W SN的能力很大程度上取决于节点的多少,也就是说可容纳的传感器节点越多, WSN的功能越强大。

所以ZigBee的网络容量大的特点非常符合W SN的需要。

有效范围小。

有效覆盖范围在10～75m之间,但是可以扩展到数百米,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

降低WSN节点的能量消耗和平衡所有节点的能量,有必要缩小节点RF 模块的覆盖范围。

工作频段灵活。

使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段,具有16个扩频通信信道。

相应的,WSN采取2.4GHz工作频段的特性将会更有利于WSN的发展。

安全。

ZigB ee提供了数据完整性检查和鉴权功能,硬件本身支持CR C和AES-128。

这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。

自动动态组网、自主路由。

W SN网络是动态变化的,无论是节点的能量耗尽,或者节点被敌人俘获,都能使节点退出网络,而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加入新的传感器节点。

这就希望W SN能具有动态组网、自主路由的功能,而ZigBee技术就正好能解决了W SN的这一需要。

本文向大家展示了一个低成本的RFID室内导—103—航系统。

在以前的R FID室内定位系统中,昂贵的readers常常必须被安装在一些位置已知的固定的点上,而tags被附到物体上,以此来实现对物体的定位。

这种系统往往需要笨重的readers来准确地对tags进行定位,所以成本往往很高。

在本系统中,使用低成本的基于Zigbee mote(节点)来代替大量的readers来降低成本,只保留大的区域入口的readers 不变,并利用mote对移动的佩戴移动节点的人员进行定位,定位的结果会被显示在监控器上。

在一个40×40的房子里,每隔3米安装一个mote,通过数字地图和新的定位算法的帮助,当一个佩带了加载了mote的RFID装置的人员进入这个房间时他就可以获得自己的位置和运动轨迹。

比如可以在智能小区导航系统中实现这一技术。

通过智能小区电子地图的帮助,住户就可以通过安装在小区及房间内的mote来获得自己的位置并享受小区提供的相应服务。

3　基于概率的Zigbee mote模型(观测模型)在本空间定位系统中,固定mote的位置是已知的、静止的,而用户携带的mote是移动的。

本算法的目标就是通过检测固定mote来实现对用户携带的mote定位和跟踪。

为了在一个全局坐标系中定位一个用户携带的mote,使用最新的p(X k Z k),其中,X k是用户携带的mote在第k个时间步中的位置,Z k是在第k个时间步中的观测值。

通过Bayesian规则和连续测量时数据独立的假设[5],通过下面公式获得位置值X k, p(X k Z k)∝p(Z k X k)p(X k Z k-1)(1)p(X k Z k-1)是用户携带的mote在第k个时间步内的位置值关于它在第k-1个时间步内的观测值的条件概率。

这一概率依赖于所跟踪的物体的运动模型。