基于RFID技术的实时电子地图设计与实现

江静炜 余强 赵佳

摘要：随着电子技术的发展，基于RFID技术的定位系统在旅游景区、仓库管理系统中得到了广泛应用。在室内利用RFID读卡器通过总线方式与上位机进行通信，构成一个室内局域网络，RFID读卡器通过读取RFID标签的数据，根据通信的信号强弱来确定RFID标签的位置，并通过GIS系统在上位机上对RFID标签的地理位置和标签信息进行展示。研究表明，该设计方案能够不依赖卫星定位系统，对在其通信范围内的设备进行定位、管理，并为其它应用提供地理位置信息支持，具有广阔的应用前景。

关键词：RFID技术；GIS系统；实时定位

DOIDOI：10.11907/rjdk.161607

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）005-0076-03

0 引言

RFID 是利用无线通信技术，在非物理接触的情况下实现对进入射频范围内的目标进行读写。RFID具有存储量大、抗干扰性强、能多次读写、使用寿命长等特点[1]。RFID技术不仅可以应用于门禁系统，还可以通过多个RFID阅读器利用总线的方式进行连接，构建一个局域网，对在射频范围内的目标进行读取，根据信号的强弱来对目标进行定位。目前，基于RFID技术的定位系统在很多领域得到了广泛应用。本文通过RFID技术，结合GIS系统，实现了室内目标定位功能，使其可以在卫星信号微弱的环境中，实现目标定位。

1 相关技术简介

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种可以在无人情况下进行目标对象识别的无线识别技术[2]。通过目标物体内置的芯片标签，可以将信息连接到计算机网络中，用以进行目标的识别、追踪以及确认目标对象所处的状态。RFID定位系统主要由RFID电子标签、天线、RFID读写器以及计算机等部分组成。RFID电子标签又分为主动式标签、被动式标签与半主动式（半被动式）标签3类，其中主动式电子标签的读写距离长，自带内存较大，能够提供读写器传来的额外信息的存储空间，但能耗和成本较高，而被动式的电子标签由于其能耗低且成本不高，也不需要额外提供电源，因此得到了广泛应用。RFID读写器既能够通过天线发射无线载波信号，也能够接受电子标签所发出的电磁信号。RFID读写器所接受到的信息可以接入计算机网络，并通过网络传给控制中心。

网络地理信息系统（Web Geographic Information System，WebGIS）通过互联网对空间数据进行发布和应用，以实现空间数据的共享和互操作，如GIS信息的在线查询和业务处理等。WebGIS客户端使用Web浏览器，如IE、FireFox、Chrome。WebGIS是利用Internet技术来扩展和完善GIS的一项新技术，其核心是在GIS中嵌入HTTP标准的应用体系，实现Internet环境下的空间信息管理和发布。其本质是一种浏览器/服务器（B/S）结构，服务器端向客户端提供信息和服务，浏览器（客户端）具有获得各种空间信息和应用的功能。WebGIS的主要作用是进行空间数据发布、空间查询与检索、空间模型服务、Web资源组织等[3-4]。

当前主流GIS软件的开发方式是在商业的GIS软件平台之上进行二次开发，以满足实际应用需求。但是商业GIS平台结构复杂、费用高、功能固定、扩展性较差，难以满足中小型GIS应用软件的要求，而开源GIS软件平台经过多年的发展已逐步成熟，甚至一些产品在性能上能够与商业GIS平台相媲美，在实际项目中的应用也逐渐广泛，而且其开源、免费、可定制功能等特性有利于与其它信息系统进行功能上的融合与扩展。因此，实时GIS室内定位系统可以使用开源的GIS平台，目前的开源GIS软件大多遵循开放地理空间信息联盟（Open Geospatial Consortium，OGC）所制定的规范。

通过RFID系统可以对目标对象进行实时监控与跟踪，其系统结构如图1所示。

电子标签被贴在目标对象上用以唯一标识该对象，RFID读写器首先通过天线发射出电磁信号，当目标对象进入RFID读写器的识别范围内，其中的电子标签便将自身信息也通过无线电发送给读写器，读写器可以通过计算机网络将电子标签的信息送往服务器。由RFID系统采集到的实时信息能够存储在数据库中，作为WebGIS电子地图展示的数据基础，WebGIS按照Web三层体系架构进行设计，实现定位的目标对象位置在室内电子地图中的实时更新显示。

2 实时GSI电子定位系统设计

2.1 GIS定位系统简介

整个实时GIS定位系统设计按照Web三层体系架构进行设计，使用开源的WebGIS解决方案。系统分为数据层、业务逻辑层、展示层[4]，其系统框架如图2所示。

其中，数据层的数据是将室内的CAD图纸使用ESRI ArcGIS进行格式转化，并使用Udig清理无用的地图元素之后得到的一系列ESRI Shapefile 地图数据源，也可以将其导入PostGis空间数据库中。业务逻辑层主要处理定位数据和地图数据，通过GeoTools工具集将Shapefile数据源导入到Geoserver中，通过Geoserver将电子地图通过WMS的方式发布出来，同时RFID定位服务所得到的原始数据也在该层得到近似处理。展示层使用常用的Struts和AJAX引擎相结合的方式将业务逻辑层中的数据通过JSON的数据格式进行传输与存储，同时采用开源的Openlayers进行各类图像符号与地图的展示。

2.2 数据库设计

RFID定位服务需要使用到的数据主要有RFID电子标签、RFID近距离读写器、分别绑定的目标对象。通常情况下，人员是移动着的，而物品是固定的，因此将人员与RFID电子标签进行绑定而将物品与RFID读写器绑定。由此设计出tab_RFIDTag、tab_RFIDReader、tab_user、tab_object、tab_temp_record和tab_log_record共6张基本表，各数据表的详细信息分别如表1～表6所示。

其中，tab_temp_record表中的数据是实时更新的，而tab_log_record表中的数据是作为日志记录增量追加的。

由于人员与标签、物品与读写器、读写记录与标签以及读写记录与读写器之间存在着约束关系，因此使用外键对这几个关系进行约束[5]。

2.3 RFID技术与GIS系统结合方案

目前，射频技术行业将读写器划分为3个频段：低频（125～134KHz）、高频（13.56MHz）、超高频（860～960MHz），频段选择依据该频段下电磁波的传输特性，其直接决定了读卡系统的工作原理（电感耦合和电磁耦合），还决定了射频识别的距离以及相应读卡器的制作难度和成本。

射频技术的发展使得单一频段的读卡器已远远不能满足实际系统的要求，本系统中如果只使用单一低频段的读写器，虽然单个读写器成本低，但是考虑到室内大面积范围内的精确定位，需要布置多个点位的低频读写器，反而会使得成本升高；如果只使用单一高频段的读写器，虽然单个读写器的射频识别距离提高了，需要的读写器少了，但是并不能达到精确定位的目的。考虑到成本和定位精确度，本系统的RFID读写器同时采用低频与超高频的两种读写器，低频段的读写器称为唤醒源，因为其识别标签的距离为0.5～1m，当目标物品靠近时才会将其唤醒，实际上是向其发送信息，而超高频段的为远距离被动的以太网读写器，它主要负责接收4～6m内所有唤醒源主动对其发送自己所收集到的所有标签信息。RFID标签的识别是整个系统中最基础也最核心的部分，由于需要实时地对RFID电子标签进行识别，因此需要一个定时器每隔一段时间就对RFID读写器所能识别的最大范围内的所有RFID标签进行识别。该模块流程如图3所示。

目的地址为RFID读写器获取到的数据所要上传的设备的IP地址，例如监控电脑终端的IP地址。目的端口指接收终端用来接收数据的网络端口，可设定在1～65 535范围内，该端口设定前需确认其没有被其它进程所占用。

地图数据包含电子地图的底图与RFID定位服务所产生的定位数据两部分。底图数据是通过原始CAD图纸进行格式转化和线条清理而得到，再通过Udig进行样式编辑。

Udig是一个遵循OpenGIS标准规范的开源桌面应用程序框架，构建于Eclipse RCP和GeoTools（一个开源的Java GIS工具包）上的桌面地理信息系统，是一个开源的空间数据查看器与编辑器，可以进行Shapefile格式的地图文件编辑和查看。在Udig中经过处理最终得到的地图底图如图4所示，从图中可以看到它由5张不同的图层所组成，各个图层的颜色不同，由于地图发布时样式为可选项，因而可以将各个图层的样式文件导出以保证该底图与最终发布显示的底图样式一致。

定位服务所产生的数据形如的三元组，其中，通过readerID可以唯一确定唤醒源（低频RFID读写器）的位置即它在地图底图上的x、y坐标，因为这是布置设备时就确定的，如果其状态是“已用”，则将其识别出的标签在底图上描绘出来，由于受温度、湿度、电磁场周围环境等因素影响，其精度在0.8～1.2m。布置点位时考虑到硬件的客观条件，因此在以唤醒源为圆心，半径为1.5m的范围内只布置一个唤醒源，保证一个标签只能被一个唤醒源所识别，描绘标签时随机地在底图上以唤醒源（x，y）为圆心，以按长度1.5m经比例尺换算过后的长度为半径的圆内随机描绘识别出的标签。

地图使用开源的GIS服务器geoserver进行发布，发布方式为WMS（Web Mapping Service），由于底图由多个图层所构成，因此发布出来的是一个图层组，而不是单个图层。Shapfile 数据源由多个*.shp文件组成，每个文件代表一个图层，各图层又分别对应一个*.sld的样式文件。图层组发布的一般步骤为：①新建工作区；②新建数据存储；③应用样式文件；④填写对应的地理参考坐标系并计算边界；⑤发布图层；⑥新建图层组，加入所需图层；⑦发布图层组。图层组中每个图层的参考坐标系都应该一致，否则发布出来的底图会显示不正常。

地图中除显示整个全局区域的底图外，还应该有标识各区域空间的符号元素，例如卫生间、电梯等。通过Openlayers，可以在浏览器中描绘出各图像符号并且能够实现浏览、漫游与缩放地图等操作。

3 实时GSI电子定位系统实现

3.1 系统运行环境配置

3.2 系统运行效果

射频识别模块使用C#进行程序设计，数据库采用Sql Server 2008，布置好RFID相关设备和网络环境后，点击开始即可开始识别。

WebGIS模块使用Ajax引擎和struts框架，定期从表tab_temp_record中读取数据，并用JSON的数据格式传递给前台页面，前台页面再使用Openlayers在底图上进行标签的描绘从而实现实时的人员监控功能。同时唤醒源也是与相应物品绑定的，因此也可以实现相应的物品定位功能。

4 结语

本文通过在监测区域将多RFID阅读器利用RS485总线连接构成一个局域网，RFID阅读器通过无线的方式获取目标RFID标签的地理位置信息和标签信息并通过总线网络传给上位机，在应用层采用GIS技术将RFID阅读器传送的信息在地图上进行展示，实现对检测区域的目标定位及检测功能，使工作人员能够非常直观地查看目标位置信息，并为工作人员决策提供依据。

参考文献：

[1]武上富.浅议电子标签物流控制系统[J].青海交通科技，2008（6）：7-9.

[2]陈大才.王卓人.射频识别（RFID）技术[M].北京：电子工业出版社，2001.

[3]李会萍.基于RFID和GPS技术的数字物流车载终端系统研究[D].南宁：广西大学，2007.

[4]张加龙，赵俊三，饶智文.基于GIS/GPS/GPRS的物流车辆监控系统[J].测绘与空间地理信息，2006（5）：72-75.

[5]翟战强.基于GPRS/GPS/GIS的车辆导航与监控系统[J].测绘通报， 2004（2）：34-36.

[6]肖慎勇.SQL Server数据库管理与开发[M].北京：清华大学出版社，2006.

（责任编辑：孙 娟）