1. Prinzipien der RFID-TechnologieDie RFID-Technologie (Radio Frequency Identification) ist eine einfach zu bedienende Technologie für den Bereich der automatischen Steuerung. Sie nutzt die Übertragungseigenschaften von induktiver und elektromagnetischer Kopplung oder Radarreflexion zur automatischen Identifizierung von Objekten. Hochfrequenz (RF) ist eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge, deren Frequenz in kHz, MHz, GHz beschrieben wird, von Niederfrequenz bis Mikrowelle.
2. Grundlegende Struktur eines RFID-Innenraumortungssystems
Dieses System besteht typischerweise aus elektronischen Tags, RFID-Lesegeräten, Middleware und einer Computerdatenbank, wie in Abbildung 2 dargestellt. RFID-Tags und Lesegeräte tauschen Daten über den von Antennen aufgebauten Übertragungskanal räumlicher elektromagnetischer Wellen aus. In Ortungsanwendungen wird das RFID-Lesegerät auf dem zu ortenden beweglichen Objekt platziert, und die elektronischen Tags werden in die Betriebsumgebung eingebettet. Die elektronischen Tags speichern Positionsidentifikationsinformationen, während das Lesegerät über eine kabelgebundene oder drahtlose Verbindung mit der Informationsdatenbank verbunden ist.
Struktur des RFID-Innenraumortungssystems
3. Typisches RFID-Innenraumortungssystem: LANDMARKDas LANDMARK-System ist ein typisches Innenraumortungssystem unter Verwendung von RFID. Es analysiert und berechnet die RSSI-Signalstärke von Referenz-Tags und unbekannten Tags und verwendet den "nächsten Nachbarn"-Algorithmus sowie empirische Formeln, um die Koordinaten der zu ortenden Tags zu berechnen.
Ortungsgenauigkeit des LANDMARK-Systems: durchschnittlich 1 m.
Nachteile: Das LANDMARK-System hat mehrere Mängel. Erstens wird die Ortungsgenauigkeit durch die Positionen der Referenz-Tags bestimmt, was die Ortung beeinflusst. Zweitens erfordert das System zur Verbesserung der Genauigkeit eine höhere Dichte an Referenz-Tags, was jedoch zu stärkeren Störungen führen und die Signalstärke beeinträchtigen kann. Drittens ist der Rechenaufwand hoch, da die euklidische Distanz zwischen Referenz- und unbekannten Tags über Formeln berechnet werden muss.
4. Anwendbarkeit der RFID-Technologie in verschiedenen FrequenzbändernÜbliche RFID-Frequenzbänder umfassen: Niederfrequenz (LF), Hochfrequenz (HF), Ultrahochfrequenz (UHF) und Mikrowelle. Für Innenraumortungssysteme zeigt Tabelle 1 einen Vergleich der Hochfrequenzsignale in verschiedenen Bändern.
Tabelle 1: Vergleich der HF-Signaleigenschaften in verschiedenen RFID-Frequenzbändern
Basierend auf dem obigen Vergleich schlägt dieser Artikel vor, dass der Aufbau eines drahtlosen Ortungsnetzwerks mit 2,45-GHz-Mikrowellensignalen machbar und effektiv ist. 2,45 GHz gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit und Anwendung, mit wachsender globaler Gemeinsamkeit, besserer Bandbreite als andere Bänder, höheren Übertragungsraten und immer kleiner werdenden Antennen und Produkten, die tragbarer und bequemer zu verwenden sind.
5. Zwei Arten von drahtlosen RFID-Innenraumortungssystemen basierend auf dem 2,45-GHz-Band
Drahtlose lokale Netzwerktechnologie (WLAN) (Wi-Fi/IEEE 802.11b):Drahtloses Ethernet basierend auf dem IEEE-802.11b-Standard hat erfolgreich Einzug in das menschliche Sozialleben gehalten und wird weit verbreitet auf Campus, am Arbeitsplatz und in öffentlichen Räumen eingesetzt. Benutzer können mit Mobiltelefonen, Laptops oder PDAs problemlos drahtlose Signale empfangen. Die WLAN-Technologie kann auch einfach in Innenraumortungssysteme integriert werden. WLAN-Zugangspunkte (AP) oder drahtlose Netzwerkkarten können die drahtlose Signalstärke bequem messen, wodurch eine Ortung durch Signalstärkenvergleich möglich ist. Die Positionsfingerabdruckmethode ist eine gängige WLAN-Innenraumortungstechnik, typisches System ist das von Microsoft entwickelte RADAR-Prototyp-System.
Das RSSI-basierte RADAR-Innenraumortungssystem arbeitet in zwei Prozessen: Zuerst erfolgt die Offline-Erfassung von Positionsinformationen und Signalstärken von mehreren festen AP-Punkten im Systemabdeckungsbereich, die über ein kabelgebundenes Netzwerk an ein Rechenzentrum übertragen werden, um eine Positionsfingerabdruck-Datenbank zu bilden. Dann wird die Echtzeit-Signalstärke des Zielobjekts gemessen und mit der nächsten-Nachbarn-Methode analysiert und abgeglichen, um seine Position zu bestimmen.
Genauigkeit: 2~3 m. Nachteile: Der Datenerfassungsaufwand ist hoch, und um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, ist die Positionsberechnung und Einrichtung der festen AP-Punkte relativ aufwendig.
ZigBee/IEEE 802.15.4:
Die ZigBee-Technologie wird für drahtlose Kommunikation über kurze Entfernungen verwendet, hauptsächlich für drahtlose persönliche Netzwerke (PAN). Das Netzwerksystem zeichnet sich durch geringe Reichweite, niedrigen Stromverbrauch und niedrige Kosten aus, was den Anforderungen von Innenraumortungssystemen entspricht. Solche Systeme bestehen aus Referenzknoten und mobilen Knoten, die in Sensornetzwerken angeordnet sind. Referenzknoten sind statische Knoten, die Positionsinformationen und RSSI-Werte an mobile Zielknoten senden, die dann die Daten in ein Ortungsmodul schreiben, um ihre eigene Position zu berechnen. Das System verwendet häufig eine verteilte Knotenanordnung, um den Netzwerkdatenaufwand und Kommunikationsverzögerungen zu reduzieren.
Genauigkeit: innerhalb von 2 m, durchschnittlich 1 m. Nachteile: Die Netzwerkstabilität muss noch verbessert werden und ist anfällig für Umgebungsstörungen.
**Zusammenfassung:** Die RFID-Technologie eignet sich für Innenraumortungssysteme, ist einfach zu implementieren, bietet zufriedenstellende Ortungsgenauigkeit und niedrige Kosten. Basierend auf der Untersuchung des typischen LANDMARK-Systems können zukünftige Verbesserungen seine Mängel beheben, indem 2,45 GHz zum Aufbau drahtloser Ortungsnetzwerke genutzt wird, um Effizienz und Genauigkeit zu steigern. Unter den Technologien ist ZigBee besonders für die Erforschung von Innenraumortungssystemen geeignet, aufgrund seiner einfachen Struktur, einfachen Bereitstellung, hervorragenden Leistung, sehr geringem Stromverbrauch und dem bequemen Erreichen des erforderlichen Ortungseffekts. Weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Designverbesserung von ZigBee-basierten Innenraumortungssystemen sind erforderlich, was es zu einem guten Fallbeispiel und einer Anwendung für das Studium der RFID-Technologie macht.