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RTLS实时定位系统

      一、系统组成

      典型的RFID实时定位系统的组成包括如下部分:

                         

图2:RFID实时定位系统组成

   ● 定位标签:是一种通过电池供电的有源无线识别标签,拴挂在资产、人员上。标签无线发送信息给读写器,包括唯一的ID标识号以及一定的状态信息。

    无线电接口协议: 用于标签与读写器通信的数据结构、通信参数等要求。

    定位监控基站:接收标签无线信息的设备,同时具备多种联网功能。

    基站组网方案: 基站之间、以及基站与定位中心控制系统的连接组网方案。包括:以太网、无线局域网、485总线、自组网络等。

    通用设备API接口:  RTLS 基站的控制API接口。

    实时定位中间件:也叫定位引擎。中间件软件从定位基站获得标签的数据,通过定位算法进行位置计算,并把计算得到的标签位置和状态信息发送给应用系统。在较大的系统中,中间件的功能有可能分布部署多个服务器中。

    中间件API接口:实时定位中间件与主机应用系统之间的接口函数形式。

    可视化定位系统: 用户管理信息系统。

      二、定位原理和精度

      根据具体的定位机制,可以将现有的定位方法分为两类:基于测距的(Range-based)方法和不基于测距的(Range-free)方法[6]。基于测距的定位机制需要测量未知节点与锚节点之间的距离或者角度信息,然后使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算未知节点的位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息,或者不用直接测量这些信息,仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。

      基于测距的定位方法

      常用的定位方法是基于测距定位方法,在这种定位机制中需要先得到基站节点之间的距离或者角度信息,根据测量得到的定位标签到定位基站之间的距离,计算标签所在位置。其原理如下:

                                   

      距离测量的方法包括:信号强度测距法、到达时间及时间差测距法、到达角定位法。 

     1, 信号强度测距法 RSS

      已知发射功率,在接收节点测量接收功率,计算传播损耗,使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。例如,在自由空间中,距发射机d 处的天线接收到的信号强度由下面的公式给出:

                                                     Pr(d )=PtGtGrλ2/(4π)2d 2L

      其中,Pt为发射机功率;Pr(d )是在距离d 处的接收功率;Gt、Gr分别是发射天线和接收天线的增益;d 是距离,单位为米;L为与传播无关的系统损耗因子;λ是波长,单位为米。由公式可知,在自由空间中,接收机功率随发射机与接收机距离的平方衰减。这样,通过测量接收信号的强度,再利用式(1)就能计算出收发节点间的大概距离。

      得到锚节点与未知节点之间的距离信息后,采用三边测量法或最大似然估计法可计算出未知节点的位置。三边计算的理论依据是,在三维空间中,知道了一个未知节点到三个以上锚节点的距离,就可以确定该点的坐标。

      三边测量法在二维平面上用几何图形表示出来的意义是:当得到未知节点到一个锚节点的距离时,就可以确定此未知节点在以此锚节点为圆心、以距离为半径的圆上;得到未知节点到3个锚节点的距离时,3个圆的交点就是未知节点的位置。

      然而,公式只是电磁波在理想的自由空间中传播的数学模型,实际应用中的情况要复杂的多,尤其是在分布密集的无线传感器网络中。反射、多径传播、非视距(NLOS)、天线增益等问题都会对相同距离产生显著不同的传播损耗。因此这种方法的主要误差来源是环境影响所造成的信号传播模型的复杂性。信号强度测距法通常属于一种粗糙的测距技术。

 

      2, 到达时间及时间差测距法TDOA

      到达时间(TOA)技术通过测量信号传播时间来测量距离。在TOA方法中,若电波从锚节点到未知节点的传播时间为t,电波传播速度为c,则锚节点到未知节点的距离为t×c。TOA要求接收信号的锚节点或未知节点知道信号开始传输的时刻,并要求节点有非常精确的时钟。

      使用TOA技术比较典型的定位系统是GPS,GPS系统需要昂贵高能耗的电子设备来精确同步卫星时钟。在无线传感器网络中,节点间的距离较小,采用TOA测距难度较大,同时节点硬件尺寸、价格和功耗的限制也决定了TOA技术对无线传感器网络是不可行的。

      时间差(TDOA)测距技术在无线传感器网络定位方案中得到了较多的应用。通过记录两种不同信号(常使用无线电信号和超声波信号)的到达时间差异,根据已知的两种信号的传播速度,直接把时间差转化为距离。该技术受到超声波传播距离的限制和非视距问题对超声波信号传播的影响,不仅需要精确的时钟记录两种信号的到达时间差异,还需要传感器节点同时具备感知两种不同信号的能力。

 

      3,  到达角度测距法

      到达角(AOA)定位法通过阵列天线或多个接收器结合来得到相邻节点发送信号的方向,从而构成一根从接收机到发射机的方位线。两根方位线的交点即为未知节点的位置。

      基本的AOA定位法,未知节点得到与锚节点N1和N2所构成的角度之后就可以确定自身位置。另外,AOA信息还可以与TOA、TDOA信息一起使用成为混合定位法。采用混合定位法或者可以实现更高的精确度,减小误差,或者可以降低对某一种测量参数数量的需求。AOA定位法的硬件系统设备复杂,并且需要两节点之间存在视距(LOS)传输,因此不适合用于无线传感器网络的定位。

 

       三、RTLS系统的信息安全

       实时定位系统应用广泛,包括涉密资产定位监控、码头集装箱定位等应用,其中很多与安全有关的应用系统中,必须采取安全措施以防止“黑客”的蓄意攻击,即有些人试图欺骗无线实时定位系统以获取有利于自己目的,例如偷盗标签所标识的物品等。目前的实时定位系统,标签按照一定的规律、或根据读写器的要求,发送其ID信息以及标签状态信息,这些信息被读写器收到后,按照定位算法,计算其位置信息。标签的无线信息有可能被窃听和假冒,存在用一个仿冒的标签代替真正标签的安全隐患。

      因此安全的无线实时定位系统应能够防止上述假冒,对下述攻击予以防范:

      (1)为了复制或改变数据,未经授权地读出标签内的数据;

      (2)为了假冒真正的标签,窃听其无线电通讯并在系统范围内重放数据(“重放和欺诈”),模拟原有的标签信息;

      因此在设计实时定位系统时,应该特别重视其数据安全功能。一些对安全功能没有要求的应用(例如:工业自动装置、工具识别)会由于引入加密过程,使问题变得复杂并造成费用不必要地增高。与此相反,在高安全性的应用中,省略密码过程,会由于使用假冒的标签来获取未被认可的服务,可能是非常严重的疏漏。