基于RSSI定位的RFID物品管理門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

亢雄偉，高澤華，高峰，房延鵬

（北京郵電大學(xué)，北京100876）

亢雄偉、房延鵬（碩士研究生），研究領(lǐng)域?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)中RFID和ZigBee技術(shù)；高澤華（副教授），研究領(lǐng)域?yàn)闊o線移動(dòng)IP與增值業(yè)務(wù)、射頻識(shí)別RFID與智能交通；高峰（博士），研究領(lǐng)域?yàn)閃LAN技術(shù)。

引 言

門禁系統(tǒng)的關(guān)鍵在于當(dāng)前物體位置的確定，只要能確定位置，就可以進(jìn)行具體的邏輯判斷，本系統(tǒng)是基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Receive Signal Strength Indicator，RSSI）定位原理而設(shè)計(jì)的，目前主要用來做貴重物品的防盜處理，當(dāng)物品從屋內(nèi)移到屋外時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)信息，引起管理者的注意，從而達(dá)到防盜效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由3部分組成，分別是電路設(shè)計(jì)、硬件程序以及服務(wù)器端程序。

1.1 電路設(shè)計(jì)

CC1110是TI公司的一款低功耗射頻識(shí)別芯片，硬件設(shè)計(jì)參考CC1110數(shù)據(jù)手冊中的推薦應(yīng)用電路［1］，電子標(biāo)簽和讀卡器的射頻部分電路如圖1所示。

圖1 標(biāo)簽和讀卡器的射頻電路

讀卡器由兩部分組成，除了上文所述的射頻電路外，還需要有一個(gè)能將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成網(wǎng)口數(shù)據(jù)的模塊，本系統(tǒng)采用HLK－RM04模塊來實(shí)現(xiàn)這部分功能，通過配置參數(shù)，可以自動(dòng)將速率為57 600kbps的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成網(wǎng)口數(shù)據(jù)。另外，配置參數(shù)時(shí)還需要指定遠(yuǎn)端IP地址和端口，這里的IP地址應(yīng)該設(shè)置成服務(wù)器的IP地址，端口號(hào)可以任意，但是服務(wù)器端程序監(jiān)聽的端口要與此處保持一致，因此，只要將讀卡器、路由器和服務(wù)器通過網(wǎng)線連接起來，就可以把讀卡器接收到的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。

1.2 硬件相關(guān)程序

系統(tǒng)硬件相關(guān)程序分成兩部分（一部分用來數(shù)據(jù)發(fā)送，另一部分用來數(shù)據(jù)接收），最后分別下載到標(biāo)簽和讀卡器中，使得標(biāo)簽和讀卡器可以正常工作，程序使用C語言開發(fā)，采用IAR集成開發(fā)環(huán)境。

發(fā)送端的作用是發(fā)送數(shù)據(jù)，該部分的防碰撞算法如下：當(dāng)信道被占用時(shí)，會(huì)等待一個(gè)1～10ms的隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送數(shù)據(jù)，如果連續(xù)發(fā)送3次都沒有成功，則表明發(fā)送失敗。為了實(shí)現(xiàn)低功耗，采用隨機(jī)休眠喚醒機(jī)制，休眠時(shí)間為0.7～1.7s的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，這樣就使得每個(gè)標(biāo)簽的喚醒時(shí)間不同，從而提高該算法的魯棒性。

接收端除了接收8個(gè)字節(jié)的標(biāo)簽信息外，還要接收RSSI的值，CC1110提供了兩種獲得RSSI的方式：一種是配置寄存器PKTCTRL1.APPEND＿STATUS＝1，在這種方式下，RSSI值會(huì)自動(dòng)添加到接收數(shù)據(jù)幀的后面；另一種是直接讀取RSSI寄存器的值［1］。為了方便處理，本系統(tǒng)采用第一種方式，配置寄存器PKTCTRL1＝0x04，將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后再取得下一位接收的數(shù)據(jù)，即本次接收得到的RSSI。

讀取到的RSSI是以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放的，需要將單位轉(zhuǎn)為dBm，轉(zhuǎn)換方式如下：

① 將讀取的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)成十進(jìn)制，記為RSSI＿dec；

② 如果RSSI＿dec≥128，則 RSSI＿dBm ＝ （RSSI＿dec－128）／2－RSSI＿offset；

③ 如果RSSI＿dec＜128，則 RSSI＿dBm ＝ RSSI＿dec／2－RSSI＿offset。

通過以上步驟，得到的RSSI＿dBm就是RSSI轉(zhuǎn)為dBm后的值，其中，RSSI＿offset是一個(gè)偏移值，由于本系統(tǒng)的主頻為433MHz，數(shù)據(jù)速率為250kbps，根據(jù)CC1110的數(shù)據(jù)手冊，這個(gè)值取為73。硬件發(fā)送端和接收端的程序流程圖分別如圖2和圖3所示。

標(biāo)簽負(fù)責(zé)發(fā)送攜帶自身ID信息的數(shù)據(jù)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

幀中第1個(gè)字節(jié)為固定的0x4C，用來在接收端進(jìn)行驗(yàn)證和同步，第2個(gè)字節(jié)代表標(biāo)簽的電量信息，0x00表示電量正常，0x10表示電量過低，這一位被接收端解析后，會(huì)重新設(shè)為0x00。第3～8個(gè)字節(jié)是一個(gè)不重復(fù)的序列號(hào)，整個(gè)數(shù)據(jù)幀構(gòu)成一個(gè)標(biāo)簽的ID號(hào)碼。讀卡器接收數(shù)據(jù)成功后，可以獲得指向該數(shù)據(jù)幀幀頭的指針，從這個(gè)指針開始讀取數(shù)據(jù)，讀到的前8個(gè)字節(jié)就是標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，第9個(gè)字節(jié)是本次接收的RSSI值。

圖2 標(biāo)簽端的發(fā)送程序流程

圖3 讀卡器端的接收程序流程

讀卡器負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，并將其解析并重新封裝成新的數(shù)據(jù)幀發(fā)給服務(wù)器，幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

幀中的第1個(gè)字節(jié)為幀頭，固定取值為0xE5；第3個(gè)字節(jié)為總幀長，因?yàn)槭?8個(gè)字節(jié)，因此取值為0x12；第7～8個(gè)字節(jié)是讀卡器ID；第9～16個(gè)字節(jié)是標(biāo)簽的ID號(hào)碼；第17個(gè)字節(jié)是RSSI值。

圖4 標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖5 讀卡器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

1.3 服務(wù)器端程序

服務(wù)器端程序采用Java編寫，編程依據(jù)是通過讀卡器接收到的RSSI值來確定當(dāng)前標(biāo)簽與讀卡器之間的距離，最后利用定位算法來確定該標(biāo)簽的坐標(biāo)。該部分用來實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)讀卡器上報(bào)的信息，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，并將結(jié)果顯示出來，具體流程如圖6所示。

首先對(duì)讀卡器的RM04模塊進(jìn)行設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇為TCP客戶端，遠(yuǎn)端IP設(shè)置為服務(wù)器的IP地址，端口設(shè)置為6000，串口參數(shù)波特率選擇57 600，并啟用DHCP，這樣就可以通過網(wǎng)絡(luò)將讀卡器封裝的數(shù)據(jù)幀上傳到服務(wù)器。

服務(wù)器端啟用一條線程一直監(jiān)聽6000端口，網(wǎng)絡(luò)中每接入一個(gè)讀卡器，服務(wù)器就會(huì)啟用一條新線程作為客戶端線程，該線程專門用來接收該讀卡器上傳的數(shù)據(jù)，因?yàn)樽x卡器封裝的數(shù)據(jù)幀以18個(gè)字節(jié)為單位，所以這條線程以18個(gè)字節(jié)為單位不斷接收網(wǎng)線上傳的數(shù)據(jù)，每接收到一幀數(shù)據(jù)就進(jìn)行解析，并根據(jù)RSSI和距離的關(guān)系換算出當(dāng)前標(biāo)簽到讀卡器的距離d，最后將讀卡器ID和距離以鍵值對(duì)的形式保存在同一個(gè)Map中。

圖6 服務(wù)器端程序流程

同時(shí)，再額外啟用一條線程，專門對(duì)各個(gè)讀卡器保存在Map中的數(shù)據(jù)做統(tǒng)一處理。這條線程和其他的線程之間通過Java的線程同步技術(shù)CyclicBarrier來實(shí)現(xiàn)同步，所有的線程之間彼此等待，當(dāng)所有客戶端都讀取一幀數(shù)據(jù)之后喚醒數(shù)據(jù)處理線程來處理數(shù)據(jù)，處理的方式是根據(jù)定位算法計(jì)算出當(dāng)前標(biāo)簽的坐標(biāo)，并把計(jì)算結(jié)果顯示出來，處理完成后再通知其他線程繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。

2 定位方法

2.1 RSSI確定距離

RSSI反映了特定信道下的接收信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)，在無線應(yīng)用中，可以通過RSSI來評(píng)估當(dāng)前發(fā)送者到接收者的距離，計(jì)算公式如下：

式中，P（d）代表收發(fā)距離為d時(shí)接收的RSSI值，單位為dBm；p（d0）為路徑損耗指數(shù)，一般取值2～5；ε是一個(gè)均值為0的高斯隨機(jī)變量。

選取d0為1m時(shí)，就可以得到RSSI和距離的關(guān)系，但是RSSI在實(shí)際中受到環(huán)境變化的影響較大，需要進(jìn)行擬合，才能降低誤差。

圖7是距離為1m時(shí)實(shí)際測量的135個(gè)RSSI值，從中可以看出，當(dāng)距離不變、環(huán)境不變的情況下，讀取到的RSSI值變化幅度很小，故可以測量不同距離下的RSSI并計(jì)算其平均值，最后根據(jù)平均值來擬合RSSI和距離的關(guān)系。

圖7 距離為1m時(shí)RSSI的實(shí)測值

與測量距離為1m時(shí)的方法相同，再去測量不同距離下的RSSI值，測量距離分別為2m、3m、4m、5m、7.5m、9m、12.4m、14.7m、17.8m，最后取平均值，并使用 Matlab進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著距離的增大，RSSI不斷降低，當(dāng)距離超過10m時(shí)，趨于穩(wěn)定，最后通過擬合的曲線來驗(yàn)證誤差，得到誤差的均值為1.27，方差為1.44。這說明擬合結(jié)果精確度較高，最后擬合的多項(xiàng)式是RSSI＝－0.02d3＋0.8d2－10.77d－28.35，d的取值范圍為0～18m，這樣就得到了RSSI和距離的關(guān)系，根據(jù)每次接收到的RSSI，解這個(gè)方程就能得到距離d的值。

圖8 RSSI和距離的擬合關(guān)系

2.2 定位算法

給服務(wù)器連接3個(gè)讀卡器，并為其選取合適的中心坐標(biāo)，記為 A（x1，y1）、B（x2，y2）、C（x3，y3），每個(gè)讀卡器都讀取一幀數(shù)據(jù)，并通過RSSI值來計(jì)算當(dāng)前標(biāo)簽到各個(gè)讀卡器的距離，得到d1、d2、d3，以 A、B、C為圓心、d1、d2、d3為半徑，可以畫出3個(gè)圓，根據(jù)這3個(gè)圓來確定標(biāo)簽當(dāng)前的位置，定位算法示意圖如圖9所示。

圖9 定位算法示意圖

2.3 結(jié)果分析

將3個(gè)固定坐標(biāo)設(shè)置為（－3.04，0）、（4.15，4.05）、（3.87，0），單位為 m。當(dāng)標(biāo)簽處于坐標(biāo)（1，1）時(shí)，程序進(jìn)行了100組的坐標(biāo)計(jì)算，最后計(jì)算平均值，得到的結(jié)果是（1.27，1.48），與實(shí)際位置非常接近，方差為0.15。

門禁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要確定門的坐標(biāo)，坐標(biāo)的設(shè)定和門的寬度w、厚度t有關(guān)。首先需要確定門的一邊的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），其次設(shè)定4個(gè)坐標(biāo)作為門限值，分別為（0，－t／2－1）、（0，t／2＋1）、（w，－t／2－1）、（w，t／2＋1）；然后將3個(gè)讀卡器中的兩個(gè)放在門外，一個(gè)放在門內(nèi)，使得三者的交叉區(qū)覆蓋門的范圍；最后將程序計(jì)算出來的坐標(biāo)（x，y）和門的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)x＞t／2＋1＋0.15、標(biāo)簽當(dāng)前狀態(tài)在門外同時(shí)成立，或者t／2＜x＜t／2＋1＋0.15、y＞w或y＜0，并且標(biāo)簽當(dāng)前狀態(tài)在門外同時(shí)成立時(shí)，判決為進(jìn)門，并更新標(biāo)簽的狀態(tài)為門內(nèi)；當(dāng)x＜－t／2－1－0.15、標(biāo)簽當(dāng)前狀態(tài)在門內(nèi)同時(shí)成立，或者－t／2－1－0.15＜x＜－t／2、y＞w或y＜0并且標(biāo)簽當(dāng)前狀態(tài)在門內(nèi)同時(shí)成立時(shí)，判決為出門，并更新標(biāo)簽的狀態(tài)為門外。

結(jié) 語

本文介紹了一種以RSSI定位原理為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的物品管理門禁系統(tǒng)，重點(diǎn)做了RSSI與距離關(guān)系的擬合，效果較為理想。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于硬件相關(guān)程序的編寫、RSSI的測量，以及服務(wù)器端程序的控制。通過借鑒Web開發(fā)中的分層思想，使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，分成了3級(jí)，每一級(jí)各司其職，標(biāo)簽和讀卡器之間可通過無線電波進(jìn)行交互，讀卡器和服務(wù)器之間通過網(wǎng)絡(luò)交互，這種設(shè)計(jì)有利于日后進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)并提高擴(kuò)充性。

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