基于WiFi和RFID技術(shù)的老年公寓人員定位系統(tǒng)

張 許，梁龍學(xué)

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

隨著我國(guó)老齡化進(jìn)程的加速，老年人的生活狀況和居住質(zhì)量得到社會(huì)關(guān)注。老年人的精確定位、身體健康狀況的實(shí)時(shí)檢測(cè)、疾病的預(yù)防等作為老年公寓居住質(zhì)量的重要考核指標(biāo)也得到了人們的重視［1］?；赗FID的精確定位有助于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的活動(dòng)軌跡給老年公寓老年人的有效管理提供了較大幫助，目前常用的RFID的定位方法存在定位精度不高，信號(hào)覆蓋范圍小等缺陷。鑒于以上問(wèn)題提出了一種較為高效的定位方式，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤老年人的活動(dòng)軌跡，大幅提升了安全管理水平。

1 系統(tǒng)的基本原理

RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，識(shí)別過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作方便，適應(yīng)性廣泛。但傳統(tǒng)的標(biāo)簽定位距離較小，無(wú)法適應(yīng)較大距離的精確定位，而WiFi具有短距離數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，其傳輸距離可達(dá)100 m，傳輸速率可達(dá)54 Mbit·s－1［2］。因此，文中提出了一種基于WiFi技術(shù)和RFID技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)定位。

1.1 RFID定位技術(shù)

RFID是一種簡(jiǎn)單的無(wú)線系統(tǒng)，主要用于跟蹤控制、檢測(cè)和跟蹤物體。設(shè)計(jì)中RFID主要由閱讀器、電子標(biāo)簽、WiFi模塊3部分組成。閱讀器由天線、耦合元件、芯片組成，用于讀取標(biāo)簽信息。電子標(biāo)簽分為有源、無(wú)源和半有源3種［3］。有源標(biāo)簽讀/寫距離較遠(yuǎn)，但體積較大且需要電池供電，隨著電池電力的消耗，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x會(huì)越來(lái)越小。無(wú)源標(biāo)簽主要依靠閱讀器發(fā)射脈沖信號(hào)的能量工作，具有低成本、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，但在閱讀距離和對(duì)較大移動(dòng)速度的識(shí)別方面有限制。本設(shè)計(jì)用于老年公寓的人員定位，老年人的移動(dòng)速度較慢，因此本設(shè)計(jì)采用無(wú)源標(biāo)簽。

無(wú)線WiFi模塊主要是用于電子標(biāo)簽、閱讀器以及AP之間的通信。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

基于WiFi和RFID的老年公寓人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是給公寓的每個(gè)房間安裝帶有WiFi的RFID參考標(biāo)簽，該標(biāo)簽包含有標(biāo)簽所在的位置信息。通常情況下在每層公寓的樓梯口及重要的位置安放閱讀器，然后根據(jù)閱讀器的覆蓋范圍在樓層的走廊安放一定數(shù)量的閱讀器以確保整個(gè)公寓被覆蓋。給每一位入住老年公寓的老人佩戴帶有WiFi的RFID標(biāo)簽，當(dāng)攜帶有標(biāo)簽的人員進(jìn)入閱讀器的讀取范圍時(shí)，閱讀器會(huì)立即感應(yīng)到信號(hào)，同時(shí)通過(guò)WiFi模塊將標(biāo)簽的信息上傳到接入點(diǎn)AP，再由AP通過(guò)以太網(wǎng)傳送到上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)匹配，在得到該標(biāo)簽信息的同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心的顯示器上，公寓管理員通過(guò)查看顯示記錄可獲得攜帶該標(biāo)簽的人員的信息。當(dāng)需要尋找某個(gè)人員時(shí)，管理員只需在上位機(jī)中輸入該人員的姓名或編號(hào)就能實(shí)時(shí)監(jiān)控此人員的活動(dòng)軌跡。如果老年人在緊急情況下按下報(bào)警按鈕，附近的閱讀器便能快速識(shí)別，并將信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)，通知工作人員進(jìn)行應(yīng)急處理。

圖1 基于WiFi和RFID的老年公寓人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于WiFi和RFID的老年公寓人員定位系統(tǒng)按照其功能可分為:數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢顯示子系統(tǒng)和報(bào)警子系統(tǒng)［4］，如圖2所示。

圖2 基于WiFi和RFID的老年公寓人員定位系統(tǒng)框圖

定位子系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心，主要由參考電子標(biāo)簽管理和人員定位管理兩部分組成。電子標(biāo)簽的管理實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的管理和維護(hù)、卡內(nèi)信息的錄入、更新等功能。人員定位管理根據(jù)采集到標(biāo)簽的信息，對(duì)人員進(jìn)行位置查詢、鎖定及該標(biāo)簽成員數(shù)據(jù)庫(kù)的更新;數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和記錄。其采集到的數(shù)據(jù)的精確程度關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精確程度;數(shù)據(jù)查詢和顯示子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽實(shí)時(shí)信息與數(shù)據(jù)庫(kù)信息的匹配及標(biāo)簽位置的實(shí)時(shí)顯示;報(bào)警子系統(tǒng)主要用于應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，當(dāng)標(biāo)簽的報(bào)警裝置啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)能夠優(yōu)先采集該標(biāo)簽的位置信息實(shí)現(xiàn)快速定位。

3 定位算法的實(shí)現(xiàn)

目前實(shí)現(xiàn)RFID定位算法主要有基于測(cè)距技術(shù)和基于非測(cè)距技術(shù)兩大類［5］。其中，基于測(cè)距技術(shù)的算法有:基于接收信號(hào)的強(qiáng)度指示算法(RSSI)、到達(dá)角度算法(VOV)、到達(dá)時(shí)間差算法(TDOA)等;基于非測(cè)距技術(shù)的算法有:質(zhì)心算法、凸規(guī)劃算法、APIT算法等。

3.1 改進(jìn)的LANDMARC算法

LANDMARC(Location Identification based on Dynamic Active Rfid Calibration)采用參考標(biāo)簽來(lái)輔助定位。當(dāng)標(biāo)簽處于檢測(cè)范圍時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)簽之間的信號(hào)強(qiáng)度差異估測(cè)待測(cè)標(biāo)簽的位置。

假設(shè)現(xiàn)有N個(gè)閱讀器，M個(gè)參考標(biāo)簽和K個(gè)待測(cè)標(biāo)簽。定義待測(cè)標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度矢量為θi={θ1，θ2…θn}，其中θi{i≤n}，表示待測(cè)標(biāo)簽在閱讀器i上的信號(hào)強(qiáng)度。定義參考標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度矢量為ui={u1，u2…un}，其中ui{i≤n}表示參考標(biāo)簽在閱讀器i上的信號(hào)強(qiáng)度。

對(duì)于待測(cè)標(biāo)簽j∈(1，k)，定義待測(cè)標(biāo)簽與參考標(biāo)簽之間的歐式距離

Ej值越小，表示待測(cè)標(biāo)簽與該參考標(biāo)簽之間的距離越小。

對(duì)于一個(gè)未知的待測(cè)標(biāo)簽，可以推算出其坐標(biāo)為

當(dāng)K＜m時(shí)，表示在m個(gè)歐式距離Ej中最小的K個(gè)鄰居。wl表示第l個(gè)鄰居的權(quán)重，可以由式(3)得到

此時(shí)，可估算出待測(cè)標(biāo)簽的實(shí)際坐標(biāo)與理論坐標(biāo)的誤差

其中，(x0，y0)表示待測(cè)標(biāo)簽的實(shí)際位置坐標(biāo);(x，y)表示待測(cè)標(biāo)簽的理論位置坐標(biāo)。

傳統(tǒng)的LANDMARC算法在對(duì)RSSI信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，沒有對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。由于受到干擾等因素的影響，部分信號(hào)會(huì)較大程度地偏離準(zhǔn)確信號(hào)值，導(dǎo)致得到的標(biāo)簽位置信息誤差較大［6］。因此本文采用改進(jìn)的LANDMARC算法:首先對(duì)RSSI信號(hào)進(jìn)行中值濾波，再將濾波后的RSSI信號(hào)使用LANDMARC算法，其流程如圖3所示。

圖3 算法流程圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本設(shè)計(jì)在某5 m×5 m空間內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，在該空間的幾何中心放置一枚閱讀器，同時(shí)在空間的8個(gè)角落分別放置一枚參考標(biāo)簽。在測(cè)試時(shí)對(duì)一個(gè)或多個(gè)待測(cè)標(biāo)簽分別采用傳統(tǒng)的LANDMARC算法和改進(jìn)的LANDMARC算法進(jìn)行定位計(jì)算。為估計(jì)兩種算法的準(zhǔn)確度，在定位計(jì)算時(shí)同時(shí)采用式(4)算出坐標(biāo)的誤差，結(jié)果顯示誤差與標(biāo)簽個(gè)數(shù)有如圖4所示關(guān)系。

圖4 不同算法坐標(biāo)誤差與標(biāo)簽個(gè)數(shù)關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)的LANDMARC算法能有效減小待測(cè)標(biāo)簽坐標(biāo)的誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用WiFi技術(shù)和RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了一種老年公寓人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用WiFi無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，相比單純使用RFID部件進(jìn)行通信具有組網(wǎng)方便、數(shù)據(jù)傳輸速率高、易于擴(kuò)展且可實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)覆蓋等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)采用改進(jìn)的LANDMARC算法，使得定位精度大幅提高。

［1］ 王震，劉智斌.基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與是實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012(6):77－80.

［2］ 王樹奇，石崟.基于RFID和WiFi技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)［C］.Proceedings of 2010 International Conference on Remote Sensing(ICRS 2010)，2010(3):253－556.

［3］CLAUS F.射頻識(shí)別技術(shù)［M］.3版.吳曉峰，陳大才，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［4］ 潘永友，李文鈞，嚴(yán)敬宇.基于有源RFID技術(shù)的人員定位信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新論壇，2012(16):191－192.

［5］STEVE L.A basic introduction to RFID technology and its use in supply chain technical report［M］.MA USA:Laran Technologies，2004.

［6］SUMALEE C.Enchancing the location estimation scheme using statistical filtering technique based on LANDMARC approach［C］.Taipei:IEEE Transaction on Industry，2012.