一种近距离无线定位的方法研究

朱世交，杨 珺

(上海电力学院 电子信息与工程学院，上海 200090)

随着RFID射频技术和ZigBee技术的发展，以及近距离无线通信识别技术的广泛应用，使无线通信技术在近距离实现人员间通信成为可能，与此相关的应用技术也有了长足的发展［1-3］.

在特定地理位置的保密和安全场所，涉及的通信范围较窄，设备和巡逻人员分布面较广且复杂，流动性、时效性较强，地面与中心人员的信息交流比较困难，因此实时动态掌握巡逻人员，特别是在特殊安全区人员的数量、位置和身份［4，5］的分布及状态情况，实现人员的精确定位管理，以便采取必要的措施及时救助，将事故损失和影响降至最低显得尤为重要和紧迫［1］.建立可靠实用的巡逻人员定位系统，对改善巡逻人员执勤、加强安全监督具有重要的现实意义.

目前，绝大多数针对巡逻人员的跟踪系统都只停留在粗劣定位的层面上，虽然能在一定程度上跟踪到巡逻人员的位置，但存在系统集中管理上的缺陷，事发现场一旦出现事故，就难以评估其具体方位.

为探索巡逻人员定位系统之间数据和逻辑的交互关系，本文采用 ZigBee［6］射频技术，实现射频卡到中心的数据通信，最后通过计算机连线实现对数据的监控.

1 巡逻人员定位系统可行性分析

ZigBee是一种新的无线连接技术，主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率，以及近距离的设备联网应用［7］.基于ZigBee的系统节点具有多跳路由功能，能够组成蜂窝网状网络结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性［8］.

无线近距离通信的拓朴关系如图1所示.图1中，移动射频卡采用有源电源控制，通过基站进行无线信息的接收和采集，并对采集后的信息进行中心基站报告，然后由客户数据端对中心基站的信息进行分析及后续处理.数据包命令通信格式如图2所示.

图1 无线近距离通信拓扑关系描述

图2 通信数据帧结构描述

其中，在单数据操作中，通过同步码和验校码来标记一帧完整的数据包，定义特定的命令代码及结构用于数据传输;功率和强度标记当前卡被接收时的能量状况，验校码使用CRC32方法进行数据完整性验证.在巡逻人员移动定位过程中，中心报告的信息具有重复的数据流，一张卡可以被不同基站所接收，并被反映在数据码流中.

由于每个基站的功率不同，因此接收到的信号强度在相对基准强度情况下具有参考价值;另外，由于物理环境的影响，经常会出现反射情况，射频卡的信号强度反映到接收数据数值大小上时具有跳跃性(如信号反射和多次接收等因素)，因此可以考虑使用滑动滤波器对接收的强度进行滤波.

式中:W——可控窗口的大小;

fi——当前信号的强度.

为了实现信号强度到物理距离的转换，在特定有限区域内，可实现相对基准信号强度到物理距离的变换，即:

式中:dn——当前距离位置点，由基准位置和当前信号强度位置及上一次变化的距离坐标位置决定;

Φ——当前信号强度变化对应的物理距离位置，具体由实际测试的分段函数构成;

dbase——参考距离位置点.

2 定位系统结构及基站布局规则

基站由不同位置的检测点构成，考虑到实际的运行效果及布局特征，可将基站进行点线方式的布局，如围墙、岗哨等基本布局结构.因此，系统在实际运行情况下要通过虚拟基站在地图上的位置进行适当调整.

巡逻路径及地理布局结构如图3所示.

图3 巡逻路径及地理布局结构

通过基站近邻关系可以决定当前射频卡所在基站的位置，但由于干扰和反射等因素，基站之间存在物理上的不确定性，因此本文设定基站位置为5 元组，即 I，X，Y，SW，SH.其中，I用于确定基站直接的相互近邻关系，其对应的值为一维数值型数据;X和Y为基站所在地图上的左上角位置;SW和SH分别为基站的宽度和高度.此处定义布局规则如下:

(1)Place Station on the route line;

(2)Find the nearest stations;

(3)Sort Stations by Index;

(4)Any Card can only be detected at most two stations.

在部署接收信息基站的过程中，由于是近距离通信，因此要考虑实际遮挡物的状况，分析最近遮挡物信息状况，以实现对基站信息的有效部署.

3 定位算法

巡逻人员携带的射频卡可能被不同基站接收，对检测到的射频卡，其所在地图上的区域位置，由卡检测信息的当前和历史状态决定.如图4所示，定位所在位置由主服务基站作为服务基站，同时还有临小区基站信息作为参考，通过协同的服务关系决定其具体的位置.

图4 当前位置与服务小区的关系示意

对近邻基站而言，根据其读取到卡被基站检测的状况信息，决定卡所在地图的位置.移动巡逻人员的巡逻路径以直线边界为一般工作环境，因而此处考虑巡逻路径的不同方向性特征，当前卡位置移动存在X和Y两个方向.为减少检测基站的实施数量和成本，本设计中考虑一张卡最多被两个不同的基站检测到，决定基站中心点位置取决于两个基站的位置.具体区域位置的确定算法如下(其中“|”表示“或”关系).

运动方向位置通过 DΔY|ΔX来确定，其值定义为－1或+1两个方向，同时可以计算出巡逻路径中人员所在的中心位置，对获取的基站中心区域，同时考虑通过历史信息记录获取的基站位置信息，以及卡接收信号的强度，通过有限光滑滤波及点位置进行修正;射频卡通过基站数据信息可以定位到具体地图内有限区域的具体位置.

通过配置巡逻计划表，对射频卡进行动态检查与确定，在卡不能被正确检测时，系统给出具体的执行情况表和报警信息，从而实现对巡逻人员的动态检测，方便对巡逻人员的定位和管理.

4 结论

(1)与以前的定位技术相比，本系统的优点在于将无线射频识别技术与近距离测量方法相结合，将人员巡逻路径确定到合理区域，实现了人员有限区域的精确定位;

(2)本系统的安全性较高，具有实时监测在岗巡逻人员状况的功能，具有设备与施工简单、成本造价较低、实用功能较强等特点.

(3)系统采用无线与有线通信相结合的方式，具有良好的可扩展性，可应用于不同巡逻情况下的人员检测和定位管理.

［1］TRAPPEY Amy J C，LU Tunghung，FU Lidien.Development of an intelligent agent system for collaborative mold production with RFID technology［J］.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2009，25(1):42-56.

［2］SUN Bo，XIAO Yang，LI Chung Chih，et al.Security co-existence of wireless sensor networks and RFID for pervasive computing［J］.Computer Communications，2008，21(18):4 294-4 303.

［3］YOON Wonju，CHUNG Sanghwa，LEE Seongjoon.Implementation and performance evaluation of an active RFID system for fast tag collection［J］.Computer Communications，2008，31(17):4 107-4 116.

［4］KANG Sooyoung，LEE Deokgyu，LEE Imyeong.A study on secure RFID mutual authentication scheme in pervasive computing environment［J］.Computer Communications，2008，31(18):4 248-4 254.

［5］CHEN Yalin，CHOU Juesam，SUN Hungmin.A novel mutual authentication scheme based on quadratic residues for RFID systems［J］.Computer Networks，2008，52(12):2 373-2 380.

［7］BARONTI Paolo，PILLAI Prashant，CHOOK Vince W C，et al.Wireless sensor networks:A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards［J］.Computer Communications，2007，30(7):1 655-1 695.

［8］钱钧，杨汝清，王晨，等.基于路标的智能车辆定位［J］.上海交通大学学报，2007，41(6):894-898.