亢雄偉，高澤華，高峰，房延鵬

（北京郵電大學，北京100876）

亢雄偉、房延鵬（碩士研究生），研究領(lǐng)域為物聯(lián)網(wǎng)中RFID和ZigBee技術(shù)；高澤華（副教授），研究領(lǐng)域為無線移動IP與增值業(yè)務、射頻識別RFID與智能交通；高峰（博士），研究領(lǐng)域為WLAN技術(shù)。

引 言

門禁系統(tǒng)的關(guān)鍵在于當前物體位置的確定，只要能確定位置，就可以進行具體的邏輯判斷，本系統(tǒng)是基于接收信號強度指示（Receive Signal Strength Indicator，RSSI）定位原理而設(shè)計的，目前主要用來做貴重物品的防盜處理，當物品從屋內(nèi)移到屋外時，會發(fā)出警報信息，引起管理者的注意，從而達到防盜效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)由3部分組成，分別是電路設(shè)計、硬件程序以及服務器端程序。

1.1 電路設(shè)計

CC1110是TI公司的一款低功耗射頻識別芯片，硬件設(shè)計參考CC1110數(shù)據(jù)手冊中的推薦應用電路［1］，電子標簽和讀卡器的射頻部分電路如圖1所示。

圖1 標簽和讀卡器的射頻電路

讀卡器由兩部分組成，除了上文所述的射頻電路外，還需要有一個能將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成網(wǎng)口數(shù)據(jù)的模塊，本系統(tǒng)采用HLK－RM04模塊來實現(xiàn)這部分功能，通過配置參數(shù)，可以自動將速率為57 600kbps的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成網(wǎng)口數(shù)據(jù)。另外，配置參數(shù)時還需要指定遠端IP地址和端口，這里的IP地址應該設(shè)置成服務器的IP地址，端口號可以任意，但是服務器端程序監(jiān)聽的端口要與此處保持一致，因此，只要將讀卡器、路由器和服務器通過網(wǎng)線連接起來，就可以把讀卡器接收到的數(shù)據(jù)上傳到服務器。

1.2 硬件相關(guān)程序

系統(tǒng)硬件相關(guān)程序分成兩部分（一部分用來數(shù)據(jù)發(fā)送，另一部分用來數(shù)據(jù)接收），最后分別下載到標簽和讀卡器中，使得標簽和讀卡器可以正常工作，程序使用C語言開發(fā)，采用IAR集成開發(fā)環(huán)境。

發(fā)送端的作用是發(fā)送數(shù)據(jù)，該部分的防碰撞算法如下：當信道被占用時，會等待一個1～10ms的隨機時間后再次發(fā)送數(shù)據(jù)，如果連續(xù)發(fā)送3次都沒有成功，則表明發(fā)送失敗。為了實現(xiàn)低功耗，采用隨機休眠喚醒機制，休眠時間為0.7～1.7s的一個隨機數(shù)，這樣就使得每個標簽的喚醒時間不同，從而提高該算法的魯棒性。

接收端除了接收8個字節(jié)的標簽信息外，還要接收RSSI的值，CC1110提供了兩種獲得RSSI的方式：一種是配置寄存器PKTCTRL1.APPEND＿STATUS＝1，在這種方式下，RSSI值會自動添加到接收數(shù)據(jù)幀的后面；另一種是直接讀取RSSI寄存器的值［1］。為了方便處理，本系統(tǒng)采用第一種方式，配置寄存器PKTCTRL1＝0x04，將接收到的數(shù)據(jù)存儲后再取得下一位接收的數(shù)據(jù)，即本次接收得到的RSSI。

讀取到的RSSI是以二進制補碼的形式存放的，需要將單位轉(zhuǎn)為dBm，轉(zhuǎn)換方式如下：

① 將讀取的十六進制數(shù)轉(zhuǎn)成十進制，記為RSSI＿dec；

② 如果RSSI＿dec≥128，則 RSSI＿dBm ＝ （RSSI＿dec－128）／2－RSSI＿offset；

③ 如果RSSI＿dec＜128，則 RSSI＿dBm ＝ RSSI＿dec／2－RSSI＿offset。

通過以上步驟，得到的RSSI＿dBm就是RSSI轉(zhuǎn)為dBm后的值，其中，RSSI＿offset是一個偏移值，由于本系統(tǒng)的主頻為433MHz，數(shù)據(jù)速率為250kbps，根據(jù)CC1110的數(shù)據(jù)手冊，這個值取為73。硬件發(fā)送端和接收端的程序流程圖分別如圖2和圖3所示。

標簽負責發(fā)送攜帶自身ID信息的數(shù)據(jù)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

幀中第1個字節(jié)為固定的0x4C，用來在接收端進行驗證和同步，第2個字節(jié)代表標簽的電量信息，0x00表示電量正常，0x10表示電量過低，這一位被接收端解析后，會重新設(shè)為0x00。第3～8個字節(jié)是一個不重復的序列號，整個數(shù)據(jù)幀構(gòu)成一個標簽的ID號碼。讀卡器接收數(shù)據(jù)成功后，可以獲得指向該數(shù)據(jù)幀幀頭的指針，從這個指針開始讀取數(shù)據(jù)，讀到的前8個字節(jié)就是標簽發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，第9個字節(jié)是本次接收的RSSI值。

圖2 標簽端的發(fā)送程序流程

圖3 讀卡器端的接收程序流程

讀卡器負責接收數(shù)據(jù)，并將其解析并重新封裝成新的數(shù)據(jù)幀發(fā)給服務器，幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

幀中的第1個字節(jié)為幀頭，固定取值為0xE5；第3個字節(jié)為總幀長，因為是18個字節(jié)，因此取值為0x12；第7～8個字節(jié)是讀卡器ID；第9～16個字節(jié)是標簽的ID號碼；第17個字節(jié)是RSSI值。

圖4 標簽發(fā)送的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖5 讀卡器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

1.3 服務器端程序

服務器端程序采用Java編寫，編程依據(jù)是通過讀卡器接收到的RSSI值來確定當前標簽與讀卡器之間的距離，最后利用定位算法來確定該標簽的坐標。該部分用來實時監(jiān)測每個讀卡器上報的信息，最后進行數(shù)據(jù)的分析和處理，并將結(jié)果顯示出來，具體流程如圖6所示。

首先對讀卡器的RM04模塊進行設(shè)置，網(wǎng)絡協(xié)議選擇為TCP客戶端，遠端IP設(shè)置為服務器的IP地址，端口設(shè)置為6000，串口參數(shù)波特率選擇57 600，并啟用DHCP，這樣就可以通過網(wǎng)絡將讀卡器封裝的數(shù)據(jù)幀上傳到服務器。

服務器端啟用一條線程一直監(jiān)聽6000端口，網(wǎng)絡中每接入一個讀卡器，服務器就會啟用一條新線程作為客戶端線程，該線程專門用來接收該讀卡器上傳的數(shù)據(jù)，因為讀卡器封裝的數(shù)據(jù)幀以18個字節(jié)為單位，所以這條線程以18個字節(jié)為單位不斷接收網(wǎng)線上傳的數(shù)據(jù)，每接收到一幀數(shù)據(jù)就進行解析，并根據(jù)RSSI和距離的關(guān)系換算出當前標簽到讀卡器的距離d，最后將讀卡器ID和距離以鍵值對的形式保存在同一個Map中。

圖6 服務器端程序流程

同時，再額外啟用一條線程，專門對各個讀卡器保存在Map中的數(shù)據(jù)做統(tǒng)一處理。這條線程和其他的線程之間通過Java的線程同步技術(shù)CyclicBarrier來實現(xiàn)同步，所有的線程之間彼此等待，當所有客戶端都讀取一幀數(shù)據(jù)之后喚醒數(shù)據(jù)處理線程來處理數(shù)據(jù)，處理的方式是根據(jù)定位算法計算出當前標簽的坐標，并把計算結(jié)果顯示出來，處理完成后再通知其他線程繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。

2 定位方法

2.1 RSSI確定距離

RSSI反映了特定信道下的接收信號強度等級，在無線應用中，可以通過RSSI來評估當前發(fā)送者到接收者的距離，計算公式如下：

式中，P（d）代表收發(fā)距離為d時接收的RSSI值，單位為dBm；p（d0）為路徑損耗指數(shù)，一般取值2～5；ε是一個均值為0的高斯隨機變量。

選取d0為1m時，就可以得到RSSI和距離的關(guān)系，但是RSSI在實際中受到環(huán)境變化的影響較大，需要進行擬合，才能降低誤差。

圖7是距離為1m時實際測量的135個RSSI值，從中可以看出，當距離不變、環(huán)境不變的情況下，讀取到的RSSI值變化幅度很小，故可以測量不同距離下的RSSI并計算其平均值，最后根據(jù)平均值來擬合RSSI和距離的關(guān)系。

圖7 距離為1m時RSSI的實測值

與測量距離為1m時的方法相同，再去測量不同距離下的RSSI值，測量距離分別為2m、3m、4m、5m、7.5m、9m、12.4m、14.7m、17.8m，最后取平均值，并使用 Matlab進行曲線擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著距離的增大，RSSI不斷降低，當距離超過10m時，趨于穩(wěn)定，最后通過擬合的曲線來驗證誤差，得到誤差的均值為1.27，方差為1.44。這說明擬合結(jié)果精確度較高，最后擬合的多項式是RSSI＝－0.02d3＋0.8d2－10.77d－28.35，d的取值范圍為0～18m，這樣就得到了RSSI和距離的關(guān)系，根據(jù)每次接收到的RSSI，解這個方程就能得到距離d的值。

圖8 RSSI和距離的擬合關(guān)系

2.2 定位算法

給服務器連接3個讀卡器，并為其選取合適的中心坐標，記為 A（x1，y1）、B（x2，y2）、C（x3，y3），每個讀卡器都讀取一幀數(shù)據(jù)，并通過RSSI值來計算當前標簽到各個讀卡器的距離，得到d1、d2、d3，以 A、B、C為圓心、d1、d2、d3為半徑，可以畫出3個圓，根據(jù)這3個圓來確定標簽當前的位置，定位算法示意圖如圖9所示。

圖9 定位算法示意圖

2.3 結(jié)果分析

將3個固定坐標設(shè)置為（－3.04，0）、（4.15，4.05）、（3.87，0），單位為 m。當標簽處于坐標（1，1）時，程序進行了100組的坐標計算，最后計算平均值，得到的結(jié)果是（1.27，1.48），與實際位置非常接近，方差為0.15。

門禁系統(tǒng)的實現(xiàn)需要確定門的坐標，坐標的設(shè)定和門的寬度w、厚度t有關(guān)。首先需要確定門的一邊的中點為坐標原點（0，0），其次設(shè)定4個坐標作為門限值，分別為（0，－t／2－1）、（0，t／2＋1）、（w，－t／2－1）、（w，t／2＋1）；然后將3個讀卡器中的兩個放在門外，一個放在門內(nèi)，使得三者的交叉區(qū)覆蓋門的范圍；最后將程序計算出來的坐標（x，y）和門的坐標進行對比，當x＞t／2＋1＋0.15、標簽當前狀態(tài)在門外同時成立，或者t／2＜x＜t／2＋1＋0.15、y＞w或y＜0，并且標簽當前狀態(tài)在門外同時成立時，判決為進門，并更新標簽的狀態(tài)為門內(nèi)；當x＜－t／2－1－0.15、標簽當前狀態(tài)在門內(nèi)同時成立，或者－t／2－1－0.15＜x＜－t／2、y＞w或y＜0并且標簽當前狀態(tài)在門內(nèi)同時成立時，判決為出門，并更新標簽的狀態(tài)為門外。

結(jié) 語

本文介紹了一種以RSSI定位原理為基礎(chǔ)而設(shè)計的物品管理門禁系統(tǒng)，重點做了RSSI與距離關(guān)系的擬合，效果較為理想。系統(tǒng)的設(shè)計難點在于硬件相關(guān)程序的編寫、RSSI的測量，以及服務器端程序的控制。通過借鑒Web開發(fā)中的分層思想，使得整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，分成了3級，每一級各司其職，標簽和讀卡器之間可通過無線電波進行交互，讀卡器和服務器之間通過網(wǎng)絡交互，這種設(shè)計有利于日后進行系統(tǒng)維護并提高擴充性。

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