基于RFID的智能滑雪場定位系統(tǒng)研究

呂國+肖瑞雪+武杰

摘 要：研究根據(jù)智能滑雪場的安全管理需求，提出了基于RFID的定位系統(tǒng)，主要功能包括：雪具追蹤調(diào)用，工作人員監(jiān)管和游客安全保障。系統(tǒng)基本硬件包含讀寫器、參考標(biāo)簽、待定位標(biāo)簽和后臺計(jì)算機(jī)，底層編程使用C語言編寫，實(shí)時顯示界面使用VB6.0實(shí)現(xiàn)。采用修正優(yōu)化后的LANDMARC算法使系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)穩(wěn)定的定位功能。

關(guān)鍵詞：智能滑雪場；RFID 定位系統(tǒng)；LANDMARC算法

一、技術(shù)背景

定位技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于軍事、導(dǎo)航、探險(xiǎn)等領(lǐng)域中，GPS、Galileo等技術(shù)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，且定位精度在幾米以內(nèi)，正逐漸滲透到商業(yè)活動和人們生活的方方面面。隨著社會發(fā)展，人們在生活中對導(dǎo)航的需求逐漸集中于小范圍的精確定位，如倉庫、停車場、校園、景區(qū)等。紅外線定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、Wifi定位技術(shù)等都應(yīng)運(yùn)而生，其中射頻識別技術(shù)又稱RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)由于其高頻信號的通信距離超過百米，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，被視為最有前景的定位技術(shù)之一[1]。隨著冰雪運(yùn)動的發(fā)展和普及，滑雪場的數(shù)量和規(guī)模在不斷擴(kuò)大，但管理模式，安全策略等方面都存在改善空間。本研究提出了一種基于RFID的雪場定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)滑雪場內(nèi)部人員和雪具的智能化管理。RFID射頻識別技術(shù)工作過程不需人工干預(yù)，具有降強(qiáng)的耐寒耐濕性，可以同時識別多個高速運(yùn)動的物體，滿足滑雪場的應(yīng)用需求。

二、系統(tǒng)功能

射頻識別技術(shù)（RFID）是指不需要在識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立直接的機(jī)械或光學(xué)接觸，借助無線電信號就可以識別目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的功能。通過在定位區(qū)域分布安裝讀寫器，在被定位目標(biāo)上安裝電子標(biāo)簽，可以利用讀寫器與電子標(biāo)簽之間的通信確定目標(biāo)位置。在滑雪場內(nèi)可以為雪具安裝電子標(biāo)簽，為工作人員和游客提供內(nèi)置電子標(biāo)簽的智能手環(huán)，在各個室內(nèi)功能區(qū)域和滑雪區(qū)安置讀寫器，實(shí)現(xiàn)以下系統(tǒng)功能：

（1） 雪具追蹤調(diào)用：可以對滑雪場內(nèi)部的雪具倉庫和雪具進(jìn)行準(zhǔn)確定位，雪具的種類、數(shù)量、倉庫儲存量等都可以在后臺準(zhǔn)確獲知，查詢雪具進(jìn)出庫的數(shù)據(jù)列表，便于采購、清理、維修和調(diào)度。如若發(fā)生雪具未及時歸庫的狀況，也可以及時定位到遺失雪具的準(zhǔn)確位置，便于管理。

（2）工作人員監(jiān)管：對滑雪場內(nèi)部的工作人員進(jìn)行定位監(jiān)管。在后臺實(shí)時了解到工作人員的位置、移動軌跡，提高管理效率。通過軌跡的查詢監(jiān)督工作人員對滑雪場所有區(qū)域進(jìn)行定時巡邏和檢修，排除安全隱患。

（3）游客安全保障：滑雪場內(nèi)部根據(jù)需求劃分為兒童區(qū)、成人區(qū)、競賽區(qū)等不同區(qū)域，通過定位技術(shù)保障游客不超出電子圍欄，一旦有超出權(quán)限所在的設(shè)定范圍，就會發(fā)出電子警報(bào)，防患于未然。如發(fā)生游客失蹤或受傷狀況，也可以準(zhǔn)確定位，第一時間提供援救。

三、技術(shù)方案

（1）硬件設(shè)計(jì)。RFID系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用需求配備不同的功能組件，但基本上都包含讀寫器、電子標(biāo)簽、天線和后臺計(jì)算機(jī)四個部分[2]。其中讀寫器是為了通過天線對電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入，將讀寫器連接到后臺計(jì)算機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的處理，并以可視化的方式呈現(xiàn)給用戶，也可以將指令信息通過讀寫器寫入電子標(biāo)簽；電子標(biāo)簽一般安裝在被識別物體上，具有唯一的標(biāo)識碼，根據(jù)相關(guān)指令將信息以無線射頻信號的形式傳送給讀寫器；天線分別安裝在讀寫器和電子標(biāo)簽上，用來實(shí)現(xiàn)射頻功率信號以電磁波的形式向四周輻射。

為了滿足滑雪場定位的精確性與穩(wěn)定性，本研究采用2.45GHz的有源RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)范圍較大的定位功能，而且功耗低、體積小，在不接天線的前提下，電子標(biāo)簽與讀寫器的通信距離可以達(dá)到的30米到50米。該系統(tǒng)的電子標(biāo)簽由參考標(biāo)簽和定位標(biāo)簽兩部分組成，標(biāo)簽內(nèi)部又包括了微控制器（MCN）、射頻模塊和串口。微控制器是硬件核心，不僅控制著無線信息通信協(xié)議，還負(fù)責(zé)與后臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；射頻收發(fā)模塊具有工作電壓、頻率、工作、靈敏度等指標(biāo)，對通信質(zhì)量的優(yōu)劣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用；讀寫器接收到的信息需要通過串口發(fā)送到后臺計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)采用特定的算法計(jì)算待定位目標(biāo)的具體坐標(biāo)，串口決定著通訊過程的質(zhì)量與速率。

（2）軟件設(shè)計(jì)。定位系統(tǒng)性能的準(zhǔn)確定和穩(wěn)定性不僅取決于良好的硬件設(shè)施，也需要配備性能優(yōu)良的算法和軟件支持?；赗FID技術(shù)的定位方法可分為兩類，第一類是基于測距的定位方法，即通過測量兩點(diǎn)之間距離，根據(jù)三邊算法求出被定位目標(biāo)的具體坐標(biāo)，例如基于信號到達(dá)角角度測量定位法、基于信號到達(dá)時間差定位法等；第二類是基于網(wǎng)絡(luò)連通性、鏈路質(zhì)量等信息對目標(biāo)進(jìn)行位置估算，例如質(zhì)心算法，APIP算法等。目前常用的是基于有源RFID動態(tài)校驗(yàn)的室內(nèi)定位算法（LANDMARC）時，當(dāng)被定位的目標(biāo)進(jìn)入讀寫器可識別區(qū)域時，讀寫器將電子標(biāo)簽的信號強(qiáng)度進(jìn)行檢測，并與已確定位置的參考標(biāo)簽進(jìn)行匹配，選出最為接近的參考標(biāo)簽就可以估算出目標(biāo)的具體位置[3]。本研究所提出系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含讀寫器與電子標(biāo)簽的通信實(shí)現(xiàn)，電子標(biāo)簽分為參考標(biāo)簽和被定位標(biāo)簽，與讀寫器的通信需要配置通信協(xié)議、數(shù)據(jù)收發(fā)模式等；還包含實(shí)時定位的可視化界面實(shí)現(xiàn)，需要確定定位算法，設(shè)計(jì)定位顯示界面。

系統(tǒng)中讀寫器通過自動識別技術(shù)獲取參考標(biāo)簽與待定位標(biāo)簽的信息，并將信息傳送到后臺計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)標(biāo)簽的信號強(qiáng)度值采用相關(guān)算法計(jì)算待定位標(biāo)簽所處的精確位置。在滑雪場中，需要布置若干讀寫器和參考標(biāo)簽，參考標(biāo)簽以不同功率向外發(fā)送信號，待定位標(biāo)簽檢測到無線訊號時，將發(fā)射功率存儲為數(shù)據(jù)包并通過讀寫器發(fā)送到后臺計(jì)算機(jī)。其中待定位標(biāo)簽中需要配置參考標(biāo)簽的地址、數(shù)據(jù)包的格式、數(shù)據(jù)包發(fā)送的目的地址、發(fā)送模式、發(fā)射功率等相關(guān)參數(shù)；參考標(biāo)簽需要配置若干不同大小的發(fā)射功率值；續(xù)寫器需要配置標(biāo)簽地址、收發(fā)模式、端口信息、RF初始，花、I/O初始化等參數(shù)[4]。以上參數(shù)的配置采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，定位界面的設(shè)計(jì)采用VB6.0設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。endprint

（3）算法設(shè)計(jì)?；﹫龆ㄎ幌到y(tǒng)采用經(jīng)典的LANDMARC算法實(shí)現(xiàn)定位功能，并在原基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分修正，可以克服在環(huán)境相對復(fù)雜時，選擇參考標(biāo)簽誤差率大的問題。LANDMARC算法的工作原理是在定位區(qū)域引入了參考標(biāo)簽，當(dāng)待定位標(biāo)簽進(jìn)入定位區(qū)域時，選擇距離接近的參考標(biāo)簽，讀寫器自動檢測二者之間的RSSI值，通過選擇N個參考標(biāo)簽計(jì)算RSSI值并統(tǒng)計(jì)權(quán)重，根據(jù)權(quán)重質(zhì)心算法估算出待定位標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。采用此算法實(shí)現(xiàn)的定位準(zhǔn)確性由讀寫器和參考標(biāo)簽的分布位置和間隔區(qū)間共同決定，分布密度低會降低準(zhǔn)確率，分布密度高會增加定位成本。N的取值也會影響定位精度，取值小會引起大誤差，取值大會增加計(jì)算量[5]。為了解決上述問題，本研究所述的系統(tǒng)對LANDMARC算法進(jìn)行了修正，將定位區(qū)域分為若干個正方形區(qū)域，將參考標(biāo)簽的位置以正方形的形式分布，每個角分別布置一個讀寫器。在理想狀況中四個參考標(biāo)簽與定位標(biāo)簽的歐式距離最小，就能實(shí)現(xiàn)最精確的位置計(jì)算。但在實(shí)際情況中信號的傳送過程中由于環(huán)境的復(fù)雜性會產(chǎn)生多次反射、衍射等現(xiàn)象，使得參考標(biāo)簽的選取容易產(chǎn)生誤差。為了將誤差降低到最低，可以對LANDMARC算法進(jìn)行優(yōu)化，如：假設(shè)最近標(biāo)簽數(shù)的取值N為4，分別為L1，L2，L3，L4，依據(jù)LANDMARC算法計(jì)算出被定位標(biāo)簽的位置坐標(biāo)為M（X，Y），其中L1與定位坐標(biāo)之間的距離為（XL1-XM）2+（YL1-YM） 2的開方，同理可計(jì)算出L2，L3，L4與M點(diǎn)之間的距離，并在四個數(shù)值中選出最大的距離S1與參考標(biāo)簽分布四邊形的邊長A進(jìn)行對比，如果SA，則參考標(biāo)簽選擇錯誤，如果A

四、結(jié)語

本研究根據(jù)滑雪場的管理需求，設(shè)計(jì)了一種基于C語言和VB6.0的定位系統(tǒng)，有助于擴(kuò)大定位范圍，提高定位精度，降低定位成本，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋遠(yuǎn)峰，劉新.基于RFID的定位系統(tǒng)綜述[J].數(shù)字通信，2013，40（4）：9-13.

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[3]李軍懷，孫轉(zhuǎn)宜，王一樂，等.基于虛擬參考標(biāo)簽的RFID定位系統(tǒng)構(gòu)建方法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011，38（4）：107-110.

[4]張穎，李凱，王建偉.一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（5）：68-70.

[5]宋遠(yuǎn)峰，劉新.基于RFID的定位系統(tǒng)綜述[J].數(shù)字通信，2013，40（4）：9-13.

作者簡介：

呂國，副教授，碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)。

注：本文系張家口市科技局科技類研究項(xiàng)目“基于RFID的‘智能滑雪場服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建研究”（項(xiàng)目編號：1621012B）研究成果之一。