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博客

关于几种常用室内定位技术的探讨

已有 308 次阅读2016-1-22 15:09 |个人分类:上海浩斌RFID解决方案| 关键词: 室内定位, RFID

摘 要:室内定位在一些特定场合的实用性和必要 性已经日趋显著,其应用前景广阔,研究意义非常大,目前也是一个非常热门的议题。本文阐述几种常用的室内定位技术手段,并具体阐述这些技术的典型实例,对比其精度及优缺点。在比较中作者认为基于RFID的室内定位系统性价比比较高,对其进行详细介绍。ZigBee则是一种基于RFID的能很好地解决室内定位的方案技术手段。

1 引言
随着时代飞速变迁,科学技术迅猛发展,信息服务质量效率提高,受干扰度小,在人们的生活工作及科学研究中起到了非常重要的作用。室内定位技术非常实用,具有较大的拓展空间,其应用范围广泛,在复杂环境下,如图书馆,体育馆,地下车库,货品仓库等都可以实现对人员以及物品的快速定位。

室内定位系统有最基本的5种算法:
(1) 起源蜂窝小区技术;
(2)时间到达法(TOA);
(3)时间到达差法(TDOA);
(4)信号强度法(RSSI);
(5)到达角度差法(AOA)。

常用的室内定位技术主要包括以下几种:
(1) 基于超声波定位技术;
(2) 基于红外线的定位技术;
(3) 基于超宽带的定位技术;
(4)射频识别定位技术(WLAN、ZigBee)等。

2 几种室内定位技术的比较 
2.1 超声波技术
超声波定位目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个电子标签组成,主测距器可放置于移动机器人本体上,各个电子标签放置于室内空间的固定位置。定位过程如下:先由上位机发送同频率的信号给各个电子标签,电子标签接收到后又反射传输给主测距器,从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离,并得到定位坐标。

目前,比较流行的基于超声波室内定位的技术还有下面两种:一种为将超声波与射频技术结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速,远高于射频速率,那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号,利用时间差的方法测距。这种技术成本低,功耗小,精度高。另一种为多超声波定位技术。该技术采用全局定位,可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器,将待定位空间分区,由超声波传感器测距形成坐标,总体把握数据,抗干扰性强,精度高,而且可以解决机器人迷路问题。

定位精度:超声波定位精度可达厘米级,精度比较高。缺陷:超声波在传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围。

2.2 红外线技术
红外线是一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。典型的红外线室内定位系统Active badges使待测物体附上一个电子标识,该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期发送该待测物唯一ID,接收机再通过有线网络将数据传输给数据库。这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔,实用性较低。

如果将红外线与超声波技术相结合也可方便地实现定位功能。用红外线触发定位信号使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波,应用TOA基本算法,通过计时器测距定位。一方面降低了功耗,另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷。使得红外技术与超声波技术优势互补。

定位精度:5~10m。缺陷:红外线在传输过程中易于受物体或墙体阻隔且传输距离较短,定位系统复杂度较高,有效性和实用性较其它技术仍有差距。

2.3 超宽带技术
超宽带技术是近年来新兴的一项无线技术,目前,包括美国,日本,加拿大等在内的国家都在研究这项技术,在无线室内定位领域具有良好的前景。UWB技术是一种传输速率高(最高可达1000Mbps以上),发射功率较低,穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术,无载波。正是这些优点,使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。

超宽带室内定位技术常采用TDOA演示测距定位算法,就是通过信号到达的时间差,通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。而超宽带室内定位系统(如图1所示)则包括UWB接收器、UWB参考标签和主动UWB标签。定位过程中由UWB接收器接收标签发射的UWB信号,通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰,得到含有效信息的信号,再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。

图1 UWB室内定位结构图

基于超宽带技术的室内定位系统典型实例为:Ubisense,其定位方法为三边定位,定位精度为:6~10cm,缺陷:造价较高。

2.4 射频识别技术 
射频定位技术实现起来非常方便, 而且系统受环境的干扰较小,电子标签信息可以编辑改写比较灵活。下面具体介绍该技术的相关应用。

3 基于射频识别(RFID)的室内定位技术
3.1 RFID技术原理
射频识别(RFID)技术是一种操控简易,适用于自动控制领域的技术,它利用了电感和电磁耦合或雷达反射的传输特性,实现对被识别物体的自动识别。射频(RF)是具有一定波长的电磁波,它的频率描述为:kHz、MHz、GHz,范围从低频到微波不一。

3.2 RFID室内定位系统的基本结构
该系统通常由电子标签、射频读写器、中间件以及计算机数据库组成,结构如图2所示。射频标签和读写器是通过由天线架起的空间电磁波的传输通道进行数据交换的。在定位系统应用中,将射频读写器放置在待测移动物体上,射频电子标签嵌入到操作环境中。电子标签上存储有位置识别的信息,读写器则通过有线或无线形式连接到信息数据库。

图2 RFID室内定位系统结构

3.3 RFID室内定位技术典型系统LANDMARK 
LANDMARK系统是应用RFID的典型的室内定位系统。该系统通过参考标签和待定标签的信号强度RSSI的分析计算,利用“最近邻居”算法和经验公式计算出带定位标签的坐标。

LANDMARK系统定位精度:平均1m。

缺陷:LANDMARK系统有几方面缺陷,首先,系统定位精度由参考标签的位置决定,参考标签的位置会影响定位;第二,系统为了提高定位精度需要增加参考标签的密度,然而密度较高会产生较大的干扰,影响信号强度;第三,因为要通过公式计算欧几里德公式得到参考标签和待定标签的距离,所以计算量较大。

3.4 不同频段RFID技术适用性
RFID常用频段包括:低频、高频、超高频、微波。针对室内定位系统,将不同频段的射频信号进行对比,结果如表1所示。

表1 不同RFID频段射频信号特性对比

对于上述比较,本文提出以2.45GHz的微波信号搭建无线定位网络比较可行有效。2.45GHz日益受到关注和应用,其全球通用性越来越高,频宽优于其它频段,传输速率加快,而且2.45GHz天线和产品的体积越来越小,携带和使用更加方便。

3.5 两种基于2.45GHz频段RFID无线室内定位系统
3.5.1 无线局域网技术(Wi-Fi/IEEE 802.11b)
基于IEEE802.11b标准的无线以太网已经成功进入人类社会生活中,无论校园,工作场合或是公共场所等都广泛应用了该技术。使用中只需用手机,笔记本电脑或者是PDA等就可以轻松获取无线信号。无线局域网技术也可轻松运用到室内定位系统中。在无线局域网中的AP接入点或是无线网卡都可以方便测得无线信号的强度,利用这一点可以通过匹配信号强度的方法进行定位。位置指纹法是一种常用的无线局域网室内定位技术,典型的系统是RADAR原型系统,由微软研发。

基于RSSI技术的RADAR室内定位系统运行分两个过程,分别是先在系统覆盖区域对设置的若干个AP固定点离线采集其位置信息以及信号强度,通过有线网络传输给数据中心形成位置指纹数据库,再对实时待测物所测算得到信号强度利用最近邻居法分析匹配出其位置。

精度:2~3m。缺陷:采集数据工作量大,而且为了达到较高的精度,固定点AP的位置测算设置比较繁琐。

3.5.2 ZigBee/IEEE 802.15.4
ZigBee技术应用于较短距离无线通信,主要面向无线个人区域网(PAN),网络系统在应用中表现出近距离,低功耗,低成本等特征,这些都可以满足室内定位系统是通过在传感器网络中布置参考节点,移动节点构成系统的,参考节点为静态节点,它们发送位置信息和RSSI值给移动待测节点,该节点将数据写入定位模块,分析计算得到自身位置。该系统常采用分布式节点设置,可以减少网络数据工作量和通信延迟的问题。

精度:2m以内,平均1m。缺陷:网络稳定性还有待提高,易受环境干扰。

4 结束语
本文比较了各种典型系统,红外及超声波技术在应用中容易受到环境阻隔和干扰,易发生能量损耗,而超宽带技术花费相对较高。上述几种定位技术的定位精度都还比较满意,从总体上来说,射频识别技术用在室内定位系统中较为合适,实现起来比较方便,定位精度让人满意,且造价较低,在研究典型系统LANDMARK系统的基础上,今后可针对其缺陷进行改进,利用2.45GHz搭建无线网络实现定位,尽量提高定位效率和精度。其中,当属ZigBee技术尤其适合研究室内定位系统,其构造简单,布置简便,性能优良,而且系统功耗非常小,定位效果也可以方便地达到应用需求,对于ZigBee的室内定位系统的设计改进还有待于研究开发,它将是研究RFID技术的良好案例和应用。


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