侯安桑1* 楊昇儒2 1
南台科技大學電子工程所 教授 ashou@mail.stut.edu.tw 2
南台科技大學電子工程所 碩士生
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m9630109@webmail.stut.edu.tw
而且相當浪費硬體成本。
此計劃提出另一種二維定位方法，在二維平面上祇需使用四個參考標籤及兩個遠距 RFID 讀卡機。在此架構下，使用者可用任何一台電腦，輸入伺服端IP位址，便能查看伺服端資料庫所記錄的RFID相關定位資料及影像檔。此計劃結合了RFID辨識、嵌入式系統、無線網際網路以及網頁程式設計。此計劃構想應用於人員進入公司或工廠後，進出某地點的管制。
摘要
隨時代的進步科技的蓬勃發展，光電、通訊與資訊等方面應用技術獲得卓越進步。在生活中全球定位系統（Global Positioning System, GPS）可用於位置定位與回報，卻無法用於室內環境定位。有鑑於此，本研究計畫提出以無線射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）系統，作室內人員或物品的定位。此有定位系統具有無線網際網路連線功能，使用者可透過網際網路查看定位的結果。 本研究使用的RFID裝置主要包含二部份：⑴主動式電子標籤（Tag）：具有內部電源，提供內部IC發射對外訊號，擁有RSSI與讀取距離長的特點。⑵讀取器（Reader）：主機透過通訊埠下達命令給讀取器，讀取器發射無線電波至電子標籤，接收電子標籤回傳的訊息。藉由回傳的訊息及訊號強度作室內人員或物品的定位。
關鍵詞：RFID、無線射頻辨識、定位、Location 嵌入式系統。
圖1. LANDARC定位構想 [1]
1. 導論
RFID已融入每個人生活中，例如貨物流通管理、門禁管理、電子收費系統、動物識別，所以RFID應用已經是現今生活中重要的一個課題。目前RFID 定位主要採用LANDARC（Location Identification based on DynamicActive RFID Calibration）及其衍生的方法[1]-[6] ，如圖1所示。此種方法在一個二維平面上，每隔 1-2 公尺擺一個參考標籤(Reference Tag)，而且需要四個以上的遠距 RFID 讀卡機。因此在實際應用上有困難，
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GPS也可作位置定位與回報，然而卻無法用於室內。此計劃構想克服了GPS定位的盲點，具有實用的價值。此計劃原先擬使用MANTIS遠距RFID讀卡機。它所佔用的頻段為433.92 MHz。加裝不同天線，有不同的有效通訊距離，最遠可達300 公尺。但是受限於此計劃所核准的經費，祇能改買WAVETREND遠距讀卡機及天線。此種讀卡機有效通訊距離，最遠可達50 公尺，外觀如圖 2所示。
f(sx)函數。假設
23rx≈f(sx)=a0+a1s1xN+a2⋅sxN+a3sxN+err (3)
sxN=(sx/Smax) (4)
其中(a0,
圖 2. 此計劃採用的遠距RFID讀卡機與電子標籤
a1, a2, a3)是未定係數；err近差。了
達到最小平方差的要求，也就是
min(err2)=min{[rx−(a0+as+as+as)]}未定係數(a0,
211xN22xN33xN2 (5)
2. 研究方法
此計劃所提出的方法不僅適用於一維定位，也適用於二維定位，而一維定位是二維定位的理論基礎。
a1, a2, a3)的選擇必須滿足
2∂[err2]/∂a0=∂[err2]/∂a1=∂[err]/∂a2=∂[err]/∂a3=0 (6)
由公式(5)、(6)利用多項式求得係數(a0, a1, a2,
2.1 一維定位
如圖3所示，假設參考標籤(#1-#4)與讀卡機的距離分別為(rx1,
a3)。
實際定位可分下列步驟：
1. 由於圖3電子標籤(#1-#4)擺放位置固定，可預先得知的(rx1,
rx2, rx3, rx4)；讀卡機接收到電子
Sx2, Sx3,
標籤(#1-#4)的訊號強度指標(Receiver Signal Strength Index, RSSI)分別為(Sx1,
Sx1)、(rx2, Sx2)、(rx3,
Sx3)及(rx4, Sx4)四組數據。
2. 由公式(5)、(6)與四組數據算出多項式的係數(a0,
Sx4)。由於在室內，RFID讀卡機除了接收電子標
籤直線傳輸功率外，也接收了反射功率Pref以及誤差功率Perr。因此RFID讀卡機所接收到源自某一電子標籤的總功率Ptotal可表示為[1]
a1, a2, a3)。
遠距讀卡機所讀取的(最佳)RSSI值介於0-256的整數值。我們可用sx值(0 代表電子標籤及讀卡機的天線增益；λ代表射頻訊號波長。由於訊號強度指標RSSI隨著功率遞增而遞增，由(1)式我們可假設 rx#2#3#4rx1rx2rx3rx4rx≈f(sx)≈(λ/4π)GtGrPtr/(Ptotal−Pref−Perr) (2) 在實際量測上，很難知道(Ptr, : 遠距 讀卡機+嵌入式系統: 固定位置的電子標籤: 待定位的電子標籤Ptotal, Pref, Perr) 這些參數值。如圖3所示，四個電子標籤(#1-#4)擺放位置固定，而且RSSI可即時量測得知。 為了即時量測rx值，我們可由預先得知的(rx1,Sx1)、(rx2, 圖3. 室內一維定位的遠距RFID讀卡機與電 子標籤擺放圖 Sx2)、(rx3, Sx3)及(rx4, Sx4) 2 四組數據，以多項式(polynomial)來近似(2)式中的 2.2 二維定位 總結一維定位的成果後，我們可繼續推演出二維定位的情況。就圖4擺放示意圖而言，使用二個遠距RFID讀卡機( , , )及電子標籤(#1-#4)。 , )的距 3. 系統設計 本計劃在於嵌入式系統上，結合 RFID 開發一個具有自動化定位之無線射頻識別系統，藉此系統的建構，讓在室內工作環境裡可以有效掌握工作人員的行動狀況。 整體系統架構如圖5所示，伺服端執行RFID定 , 位程序，同時開啟Socket通訊埠，等待接收來自客戶端的一維定位數據。當伺服端本身得到一維定位數據，也接收到客戶端的一維定位數據後，再將最後定結果顯示在螢幕上。 Client端使用嵌入式系統(XSCALE 270)周邊介面連接裝置如隨身碟、觸控面板、RFID讀取器、IP分享器；當嵌入式系統啟動時，掛載隨身碟將指定的資料夾載入記憶體，並執行設定的Shell檔，RFID定位程序執行後，開啟通訊埠並啟動RFID模組，當RFID定位程序得到一維定位數據後，透過區域網路傳送至Server端。 假設待定位電子標籤與遠距讀卡機(離( , )與RSSI值( , , , )關係由(7)-(10)式, )及( 描述。其中係數( , 來。 , )可由前述一維定位的方法推導出 圖4. 二維定位的示意圖 (7) (8) 圖5. RFID系統架構圖 RFID定位功能設計構想如圖6所示，其中包含五個子系統，名稱及其主要功能分別為： 此子系統在嵌入式系統環境上實現，主要用途為下達命令至 RFID 模組、讀取 RFID 模組資料、分析客戶端 RFID定位子系統(CRS)RFID 模組資料、數學運算之功能。 1. 圖形介面顯示子系統(GIS) 此子系統主要用途為顯示參考標籤（Tag ID）、定位標籤、RSSI、一維位置顯示的功能。 2. 伺服端RFID定位子系統(SBRS) 此系統在Windows XP環境利用Visual Basic 實現，主要用途為下達命令至RFID模組、 讀取RFID模組資料、分析RFID模組資料、 (9) 由於圖4中遠距讀卡機( , (10) )之間的距離固定 而且已知，根據(7)-(10)式我們可知二維平面上待定位電子標籤的位置。根據此中位方法，待定位電子標籤的位置也可能是圖4中水平軸以下的位置，如虛線所示。為了分辨出圖4中待定位電子標籤的水平軸上下兩個不同位置，可擺設令一讀卡機。由於讀卡機 所讀到水平軸上電子標籤的 RSSI值可區分出來，因此可分辨出水平軸以上及水平軸以下電子標籤的位置。 3 數學運算、並顯示結果之功能。 3. 雙平台網路傳輸子系統(DPSS) 此子系統主要用途於 Windows XP 系統與 嵌入式系統，不同平台的網路傳輸之功能。 4. 即時的二維定位子系統(ITLS) 此子系統主要用途利用從伺服端與客戶端所 收到的資料做二維定位，並估算出二維位座 標之功能。 圖6. RFID系統設計架構圖 進行RFID定位系統前，讀取器與參考標籤必須擺放在固定位置3。伺服端程式流程如圖7所示。伺服端主程式啟動先讀取Set.txt文件，以便預先得知參考標籤的卡號，以及伺服端與參考標籤的對應距離。初始，嵌入式系統發送命令至讀取器，以便讀取參考電子標籤的RSSI值，將所收到的RSSI值儲存至各個參考標籤專用的陣列裡。當到多次讀取到參考標籤的RSSI值以後，根據變異數剔除不合理的RSSI，並且保留合理的RSSI做平均，再將參考標籤RSSI值根據(7)-(10)使用查表法(Table look-up)求得參考標籤與讀卡機的距離。上述的程序只需做一次即可，以達到誤差校正的目的。而後在執行緒持續執行發送命令給讀卡器，並接收待定位標籤的卡號及RSSI值。當待定位標籤讀取Num次後作變異數處理。Num值可視情況調整。伺服端接收客戶端的一維定位數據後，以一維距離為依據，換算出二維定位座標。 客戶端執行動作與伺服端雷同，差別在於，執行續動作同時，主程式判斷旗標是否為1，條件成立，將一維定位距離顯示在XSCALE-270的觸控螢幕上，藉由socket介面將客戶端一維距離數據傳送至伺服端。客戶端敘述如圖8流程圖所示。 4 圖7. 伺服端程式設計流程圖 圖8. 客戶端程式設計流程圖 4. 測試結果 整體系統功能在室內實驗室進行，因空間限制，定位的距離實驗(X,Y)座標為(2 m , 2 m )、(5 m , 2 m)及(6 m , 2 m)三組。伺服端為原點(0, 0)，圖9 橫軸代表時間，單位秒。縱軸代表定位的(X, Y)座標，每一個參考標籤讀取 10 筆 RSSI 值做變異數在計算距離參數，定位標籤讀取 5 筆 RSSI 值做變異數在代入RSSI 值求得一維估算距離。將伺服端與 客戶端得到的一維距離數據後做換算求得二維距離座標。如圖9所示 3.532.521.510.501112131415161718191X座標Y座標線性 (X座標)線性 (Y座標)140120100806040200115294357718599113標籤150-2公尺標籤115-4公尺標籤89-6公尺標籤481478-8公尺 圖 9. RSSI與漂移現象 由圖9 觀察RSSI值了解，漂移現象會在1至60時間上有較大的跳動幅度，到60以後幅度縮小，根據此實驗結果，我們在求得定位數據時，需增加讀取參考標籤RSSI值的次數，以求更精準之定位數據。圖10 所示為取樣50筆資料做距離參數並計算二維座標，定位結果發現準確性與穩定性有明顯的差別，證明此解決方法有效。 5432101112131415161718191X座標Y座標線性 (Y座標)線性 (X座標)圖8(a). 座標(2 m, 2 m) 65432101112131415161718191X座標Y座標線性 (X座標)線性 (Y座標) 65圖10(a). 座標(4 m, 2 m) 圖8(b). 座標(3 m, 2 m) 65432101112131415161718191X座標Y座標線性 (X座標)線性 (Y座標)432101112131415161718191X座標Y座標線性 (Y座標)線性 (X座標) 8765432101112131415161718191X座標Y座標線性 (Y座標)線性 (X座標)圖10(b). 座標(6 m, 2 m) 圖8(c). 座標(6 m, 2 m) 從圖9觀察定位座標變化從時間1至30，(X, Y)座標變化浮動大，根據電波本身的特性，知道電子標籤在固定位置不動，但RSSI值卻會有飄移的現象產生。因此我們做個測量以圖3示意圖；測量電子標籤與Reader的距離為2、4、6、8公尺做測量如圖10所示。 圖10(c). 座標(7 m, 2 m) 5 本研究內容提出RFID二維定位技術經由理[4] Guang-yao Jin; Xiao-yi Lu; Myong-Soon Park, “An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag”, Sensor Networks, Ubiquitous and Trustworthy Computing, 2006. IEEE International Conference on, Volume 1, 05-07 June 2006 Page(s):40-43. 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Third IEEE International Workshop On, 17-19 Jan. 2006 Page(s):6 pp 論的推演及實驗的驗證，證實此系統具體可行；並利用圖形介面顯示位置。在實際的測量，利用上課教室之室內環境中來驗證我們RFID二維定位技術並且圖形介面顯示，其幾乎達成預期的目標結果 此目的實現室內環境定位，目前的GPS 在室 外環境可以有效的定位但是室內環境無法定位，而此專案構想是克服 GPS定位的盲點，具有實用的價值如下。 1.追蹤系統 : 追蹤人員或物品位置。 2.物料處理 : 工廠的物料清點及補貨。 3.醫療應用 : 醫院病人的進出管制。 4.防盜應用 : 貴重物品的防盜管理。 5.門禁系統 : 員工進出地點的管制。 結論 RFID 應用正快速地遍及在我們的日常生活中，這項科技使社會生活更舒適、安全與方便。而商業的層面更是廣泛地應用 RFID 技術，以便增進貿易的效率。而此研究RFID定位技術可以在室內場所，只要能隨身攜帶電子標籤即可知道目前持有人的所在位置。本研究所提出的定位技術RFID的應用領域有具體的貢獻。 致謝與聲明 此論文的完成，最感謝是我的指導教授侯安桑老師。老師是我研究所的啟蒙老師，無論在研究方法、學習的態度，程式設計的技巧方面，我都受他的影響很多。最後感謝我的家人和實驗室的同學們陪伴與相互的支持鼓勵，讓我能平順而愉快地完成研究所的學業。 本研究計畫經費來自96年度嵌入式軟體關 參考文獻 [1] L. M. Ni; Y. Liu; Y. C. Lau; A. P. Patil, “ANDMARC : Indoor Location Sensing Using Active RFID”, Springer Wireless Networks, Volume 10, 2004, Page(s): 701-710. [2] HyungSoo Lim; ByoungSuk Choi; angMyung Lee, “An Efficient Localization Algorithm for Mobile Robots based on RFID System”, SICE-ICASE, 2006. International Joint Conference, Oct. 2006 Page(s):5945-5950 [3] Zhao, Yiyang; Liu, Yunhao; Ni, Lionel M. “VIRE: Active RFID-based Localization Using Virtual Reference Elimination”, Parallel Processing, 2007. ICPP 2007. International Conference on, 10-14 Sept. 2007 Page(s):56-56. 6 鍵技術開發分項研究計畫(嵌入式軟體關鍵技術開發分項)，NSC 96-2218-E-218-002。 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容