一种基于RFID技术的室内定位系统设计

电子设计工程Electronic Design Engineering 第19卷Vol.19第15期No.152011年8月Aug.2011

一种基于RFID 技术的室内定位系统设计

张颖1，苗全利1，刘小华2，许海林2

（1.上海海事大学信息工程学院，上海200135；2.上海杰图软件技术有限公司上海201203）

摘要：针对室内无线区域定位的需求，设计了基于有源RFID （Radio Frequency Identification ）技术的无线定位系统。RFID 读写器和标签系统均采用低功耗MCU 芯片PIC16F877A 作为核心控制单元，以低功耗无线射频收发器芯片CC2500为核心配合外围滤波器和天线等构成系统的通信单元。在读写器与标签进行数据通信的过程中，通过获取RSSI （Received Signal Strength Indicator ，接收信号强度指示）信号推测出读写器与标签之间的距离，在获得来自于多个具有固定位置信息的标签的RSSI 信号后，可以实现对读写器的无线定位。实验结果表明，该系统在室内环境中能够实现较高精度的无线区域定位。

关键词：RFID ；读写器；标签；RSSI

中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2011）15-0050-04

Design of a kind of indoor locating system based on RFID

ZHANG Ying 1，MIAO Quan -li 1，LIU Xiao -hua 2，XU Hai -lin 2

（1.College of Information Engineering ，Shanghai Maritime University ，Shanghai 200135，China ；

2.Shanghai Jietu Software Co.，Ltd ，Shanghai 201203，China ）

Abstract ：Aming at the demand of indoor wireless area locating ，a kind of wireless locating system based on active RFID technology was designed.The ultra -low power consumption MCU chip PIC16F877A was adopted as the core control unit for the reader and tag system ，the communication unit consists of the core RF transceiver chip CC2500which is ultra -low power consumption with the external filters and the antenna.RSSI （Received Signal Strength Indicator ）can be obtained in the process of communication between reader and tags.According to the changes of RSSI during the reader moving ，the distance between reader and tags can be predicted.When more signals of RSSI obtained from more fixed tags ，the reader can be located by these wireless signals.Experiment result shows that the wireless locating system can get a fine

locating precision in the common indoor environment.

Key words ：RFID ；reader ；tag ；RSSI

图1读写器系统结构Fig.1System structure of the reader

收稿日期：2011-05-23稿件编号：201105095基金项目：上海海事大学科研基金项目资助（20110036）；上海市教育委员会重要学科建设项目资助（J50602）；上海市科委重点

科技攻关专项资助（0951*******）

作者简介：张颖（1968—）,男,安徽合肥人,博士，副教授。研究方向：智能信息处理，无线传感网络，RFID 技术等。

随着科技的进步和社会经济的发展，人们对定位服务的

要求越来越高，传统的定位系统已经不能满足室内定位的需

求。GPS 在户外环境的定位中应用广泛，但是由于混凝土等

障碍物对电磁波的阻挡，它在室内环境中是完全失效的[1]。笔

者基于有源RFID 技术，采用PIC 系列单片机PIC16F877A 和TI 公司的射频收发器芯片CC2500，设计出了一种低成本、低

功耗，可以适用于室内环境的无线定位系统。

1总体设计

RFID 室内定位系统由读写器和标签组成。其中读写器

按照功能划分可以分为4个模块，如图1所示。分别是控制

模块、射频通信模块、定位信息显示模块、电源模块。控制模

块负责控制系统的运行，包括对各种外设的控制，以及完成

定位算法的运行等。射频通信模块负责数据的收发，采用ASK 调制方式，实现读写器和标签之间的数据传输。定位信息显示模块主要是显示定位目标的信息。电源模块用来给系统的各个单元提供工作电源。另外，与上位机连接的读写器通过RS-232串口与上位机进行通信，所以部分读写器还带－50－

图2

标签系统结构

Fig.2System structure of the

tag

图3单片机外围电路原理图

Fig.3Schematic of the circuit around single -chip microcontroller

有串口通信模块。

标签主要由控制模块、射频通信模块、电源模块组成，如图2所示。

控制模块中的微控制器通过SPI 接口与射频收发器通信，在控制模块的统一调度下，读写器与标签节点之间通过无线射频通信交换信息。在读写器的无线信号覆盖区域内，标签节点收到来自读写器的广播信号后会处于激活状态，处于激活状态的标签节点会将自己的ID 号发送给读写器，然后接收读写器的请求命令，将存储于节点中的信息传送给读写器；或者接收读写器的写命令，将来自读写器的信息写入自己的存储器中。

2

系统硬件设计

2.1

控制器部分

在系统设计中，考虑到系统的功耗、成本及性能等要求，

选择Microchip 公司的PIC16F877A 作为系统的微控制器。

PIC16F877A 是一款具有RISC 结构的16位高性能单片机，

内部集成了一个在线调试器（In -Circuit Debugger ），可以实现在线调试和在线编程。拥有35条单字指令，8k ×14个字节的

FLASH 程序存储器，368×8字节的RAM ，8级硬件堆栈，内部

看门狗定时器，低功耗休眠模式，高达25mA 的吸入/拉出电流，外部具有3个定时器模块，拥有10位多通道A/D 转换器，通用同步异步接收/发送器等功能模块。它具有功耗低、驱动能力强、外接电路简洁等特点，同时具有哈佛总线结构、寻址简单、指令条数少等优点。

微控制器模块主要由PIC16F877A 单片机及其外围电路组成。其电路原理图如图3所示。在读写器系统在中，

PIC16F877A 的RB0~RB3及RC7，RD4~RD7用作向显示模

块发送显示数据的通信接口；OSC1和OSC2扩展外部时钟电路；PIC16F877A 单片机通过SPI 接口设置CC2500的工作参

数并与CC2500交换数据。2.2射频通信模块

考虑到功耗、接收灵敏度、传输速率和芯片成本等因素，

系统采用了TI 公司的无线射频收发芯片CC2500作为无线通信模块控制器。CC2500是TI 公司推出的一款低成本、低功耗、体积小的2.4GHz 无线通信频段的收发器，工作频率波段为2

400~2483.5MHz 。RF 收发器集成了一个数据传输率可达500kbit/s 的高度，可配置的调制解调器和一个64位传输/接收FIFO （先进先出堆栈）。CC2500的寄存器配置可通过SPI 接口

控制。它具有载波监听和休眠模式，非常适合低功耗应用[2-3]。

射频通信模块主要由CC2500收发器、传输与接收天线及其外围滤波、匹配网络组成，其中天线采用了Rainsun 公司的贴片天线，系统电路原理图如图4所示。

CC2500通过4线SPI 兼容接口（SI ，SO ，SCLK 和CSN ）与

PIC16F877A 相连，这个接口用作写入和读取数据。SI 为数据

输入线，SO 为数据输出线，SCLK 为时钟线，CSN 为片选信号线，低电平有效。SPI 接口的状态控制线还包含一个读/写信号控制线。CC2500的状态寄存器里指示一些系统的工作状态信息。

2.3电源模块

RFID 室内定位系统一般主要布置在楼宇、仓储建筑物

等的内部，有些具有移动性，所以节点大多数需要采用电池供电，在元器件的选取中，尽量选择低功耗器件以降低系统功耗，2.4~3.6V 的电压可以使系统中所有的器件和模块正常工作。因此，实际中采用与之电压匹配的高能纽扣锂电池作为供电电源。

2.4电磁兼容与抗干扰设计

在设计2.45GHz 的RFID 系统时要考虑电磁兼容性

张颖，等

一种基于RFID 技术的室内定位系统设计

－51－

《电子设计工程》2011年第15期

图4

CC2500外围电路原理图

Fig.4Schematic of the circuit around

CC2500

（EMC ），以保证读写器和标签在设定的电磁环境和规定的安全界限内运行。在系统设计中，元件的选择和电路设计是影响电磁兼容的重要因素，对于射频通信模块需要去耦电容来去除元件状态转换引起的噪声电压，并且要注意信号源和信号终端的阻抗匹配。PCB 上的导线同样具有阻抗、电感、电容特性，因此在PCB 布局和布线也考虑了电磁兼容性等问题。布局是按照信号流程放置元件，尽量缩短元件之间的连接，

CC2500底部通过多个过孔与地层连接。滤波电容尽量靠近器

件放置，同时，为了抗电磁干扰，把数字电源和模拟电源、数字地和模拟地隔离开来。RFID 定位系统节点的布设位置应尽量避开高大障碍物，以减少对电磁波的阻隔，影响传输性能。

3

系统软件设计

3.1

定位算法的选择

本RFID 定位系统采用LANDMARC 定位原理。LAND -

MARC 定位算法适用于有源RFID 室内定位。它将具有固定

位置信息的标签作为定位系统中的坐标参考点，通过参考点标签与移动读写器之间的通信，获取两者之间的无线射频信号强度值RSSI ，继而获取读写器与多个参考标签之间的

RSSI 值，根据RSSI 与通信距离之间的对应关系，获取读写器

与多个参考标签之间的距离关系。LANDMARC 算法可以通过比较读写器与参考标签之间RSSI 值的大小来获得离读写器距离最近的几个参考标签，然后根据这几个最邻近参考标签的坐标，并结合它们的权重，可计算出读写器的坐标。

3.2RFID 定位算法

无线信号的接收信号强度和信号传输距离的关系可以

用式（1）来表示，其中RSSI 是接收信号强度，d 是收发节点之间的距离，n 是信号传播因子。

RSSI =-（A +10·n 1gd ）

（1）

由式（1）中可以看出，常数A 和n 的值决定了接收信号强度和信号传输距离的关系。射频参数A 和n 用于描述网络操作环境。射频参数A 被定义为用dBm 表示的距发射器1m 时接收到信号平均能量的绝对值。如平均接收能量为-40

dBm ，那么参数A 被定为40。射频参数n 指出了信号能量随

着距收发器距离增加而衰减的速率，其数值的大小取决于无线信号传播的环境[4]。

RSSI 值受周围环境的影响较大，具有时变特性，有时会

偏离式（1）的描述，根据接收信号强度估计出的距离d 就会有较大误差。通过大量数据分析，采用了-个噪声模型，即环境衰减因素模型，可有效补偿环境影响带来的误差[5]，如式（2）所示。

RSSI =-（A +10n 1gd ）-EAF （2）

上式中EAF （dBm ）为环境影响因素，它的值取决于室内环境，是靠大量的数据累积的经验值。EAF （dBm ）是一个随机变量，但为了增强实用性，将其固定为-个值。通过大量比较实验环境下测得的RSSI 值与理想状态下的RSSI 值，得到试验环境EAF （dBm ）大概为11dBm ，A 取值45，n 取值3.5。

在采集到RSSI 值后，依据式（2）就可以得到读写器到标签的距离，通过LANDMARC 三边测量定位算法就可以定位出读写器的位置。如图5所示。

假设标签1的坐标为p 1（x 1，y 1），标签2的坐标为p 2（x 2，

y 2），标签3的坐标为p 3（x 3，y 3），读写器坐标为p （x ，y ）。则读写

器坐标计算公式为[6]：

（x-x 1）2+（y-y 1）2=r 21（x-x 2）2+（y-y 2）2=r 22（x-x 3）2+（y-y 3）2=r 22

222222222

(3)

由式（2）可以计算出读写器的坐标位置为：

x

22y =2（x 1-x 3）2（y 1-y 3）

2（

x 2

-x 3

）2（y 2-y 322）

-1

x 21-x 23+y 21-y 23-r 21+r 23

x 2

2

-x 23

+y 22

-y 23

-r 22

+r

23

22(4)

－52－

图5三边测量定位示意图Fig.5Schematic diagram of locating by three -side measurement 图6定位系统流程图Fig.6Flow chart of locating system

3.3RFID 定位系统的工作流程定位算法以MPLAB IDE 7.4为开发平台，采用C 语言编写，经过编译、连接后生成机器代码，下载到读写器程序存储器中。RFID 定位系统软件流程图如图6所示。

4结束语

笔者介绍了一种基于PIC16F877A 和CC2500的有源

RFID 读写器和标签的硬件系统设计及室内RFID 定位方法，

对读写器和标签系统的各个模块及运行于读写器中的定位

算法及其工作流程进行了详细介绍。该有源RFID 定位系统

在小规模的室内实验中表现出较好的定位精度。

参考文献：

[1]Carroll M ，Wysocki T A.Fading characteristics for indoor

wireless channels at 5GHz unlicensed bands [C]//in Proc.

SympoTIC'03，the Joint First Workshop on Mobile Future

and Symposium on Trends in Communications ，Bratislava ，

Slovakia ，2003：102-105.

[2]Rabaey J M ，Ammer M J ，da Silva J L Jr ，et al.PicoRadio

supports ad hoc ultra -low power wireless networking [J].

Computer ，2000，33（7）：42-48.

[3]Texas Instruments ，CC2500Datasheet [R].2007

[4]Savarese C ，Rabaey J M ，Beutel J.Locating in distributed

ad -hoc wireless sensor network [C]//Proc.of the 2001IEEE

International Conference on Acoustics ，Speech ，and Signal

Processing ，Salt Lake City ：IEEE Signal Processing

Society ，2001（4）：2037-2040.

[5]Bulusu N ，Heidemann J ，Estrin D ，GPS -less low cost

outdoor localization for very small devices

[J].IEEE Personal Communications ，2000，7（5）：28-34.[6]孙俞，射频识别（RFID ）室内定位算法研究[D].成都：西南

交通大学，2005.!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

2011年全国大学生电子设计竞赛地方赛区TI 杯竞赛正式启动

近日，2011年TI 杯电子设计竞赛启动会议在杭州顺利召开，来自9个地方赛区的组委会和专家代表参加了本次会议，这也标志着2011年全国大学生电子设计竞赛地方赛区TI 杯竞赛正式拉开帷幕。

为了培养更多更优秀的电子信息技术类人才，增强学生动手能力，提高学生科研素养，锻炼学生创新意识，培养学生科研兴趣，支持省市地方赛区在2011年全国大学生电子设计竞赛中取得更好的成绩，德州仪器在2011年与上海、江苏、浙江、湖北、四川、陕西、山东、天津、黑龙江合作冠名地方赛区大学生电子设计竞赛。

本次会议就地方赛区TI 杯电子设计竞赛的合作模式、竞赛规则、组织培训、总结交流等多方面进行了广泛的交流和探讨。与会的专家老师充分肯定了德州仪器公司对高校创新人才培养的支持，对德州仪器公司如何更好的支持大学生电子设计竞赛活动提出了很多宝贵的建议。

德州仪器公司在支持大学生电子设计竞赛方面有得天独厚的条件，德州仪器公司的高性能和低功耗应用的数据转换器、放大器、电源管理、接口和低功耗无线收发器等模拟产品系列均是业界最强，配合德州仪器超低功耗MSP430、高性能的Cortex M3和C2000单片机产品，可以帮助中国高校大学生在电子设计竞赛中更加简单、快速、高效的进行模拟系统设计，取得优异成绩。

德州仪器(TI)是全球领先的模拟及数字半导体IC 设计制造公司。TI 在中国的大学计划始于1997年，是一项长期的战略性计划，旨在通过对中国教育和研究的投入，使中国的大学和研究机构掌握最先进的模拟技术，数字信号处理技术和单片机技术，支持素质教育和科技创新，并促进产学研相结合。目前TI 中国大学计划包括DSP 大学计划，模拟技术大学计划和单片机大学计划。咨询编号：2011151004

张颖，等一种基于RFID 技术的室内定位系统设计

－53－

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/brhl.html