一種基于超高頻RFID電子標(biāo)簽的精確定位系統(tǒng)

喬靜 郭燕玲 陳同寧 劉偉民

摘要：本文介紹了一種圓內(nèi)接正六邊形的精確定位系統(tǒng)。系統(tǒng)將閱讀器到參考電子標(biāo)簽的定位誤差計(jì)算在內(nèi)，可同時(shí)定位多個(gè)電子標(biāo)簽，也可以對(duì)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽定位，成本低。通過數(shù)據(jù)分析可得，該系統(tǒng)在不同的環(huán)境下定位精度高，可靠性高。

關(guān)鍵詞：超高頻RFID;圓內(nèi)接正六邊形定位系統(tǒng);誤差;高精度;高可靠性

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）46-0056-02

射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identication）是從20世紀(jì)80年代起逐步發(fā)展走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便[1]。在未來幾年中，超高頻RFID技術(shù)將會(huì)得到非常廣泛的應(yīng)用[2-3]。

采用RFID作為定位識(shí)別技術(shù)的典型代表是SpotON。該系統(tǒng)基于信號(hào)強(qiáng)度分析，發(fā)展了一種聚合算法對(duì)三維空間進(jìn)行定位，SpotON系統(tǒng)中硬件標(biāo)簽以網(wǎng)絡(luò)狀的形式分布，無須中央控制單元，通過標(biāo)簽檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)弱來表征標(biāo)簽之間的幾何距離，但是完整的SpotON系統(tǒng)目前為止仍不完善[4]。采用紅外線定位技術(shù)只適合于短距離傳播，且容易被熒光燈或房間內(nèi)的燈光干擾，所以該定位技術(shù)在定位范圍和定位精度上有很大的局限性[5]。Cricket Location-Support System和Active Bat均采用超聲波時(shí)延信號(hào)進(jìn)行定位，其整體定位精度較高，但需要大量的底層硬件設(shè)施，成本太高。除此以外，其他定位技術(shù)，如UWB[6]、Bluetooth[7]等，都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。為提高RFID技術(shù)定位的精度，本系統(tǒng)充分利用RFID技術(shù)非接觸和非視距等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了圓內(nèi)接正六邊形定位系統(tǒng)。

一、RFID定位系統(tǒng)介紹

1.三邊測(cè)量法。無線信號(hào)的接受強(qiáng)度和信號(hào)傳輸具體的關(guān)系可以用式（1）來表示，其中RSSI是接受信號(hào)強(qiáng)度，d是收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離，n是信號(hào)傳播因子。

RSSI=-（A+10nlgd）？搖 （1）

RSSI值受周圍環(huán)境的影響較大，具有時(shí)變特性，有時(shí)會(huì)偏離式（1）的描述，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)出來的距離d就會(huì)有較大誤差。通過大量數(shù)據(jù)分析，采用了一個(gè)噪聲模型，即環(huán)境衰減因素模型，可有效補(bǔ)償環(huán)境因素帶來的誤差，如式（2）所示。

RSSI=-（A+10nlgd）-EAF （2）

上式中EAF（dBm）為環(huán)境影響因素，它的值取決于室內(nèi)環(huán)境，是靠大量的數(shù)據(jù)累積的經(jīng)驗(yàn)值。EAF是一個(gè)隨機(jī)變量，但為了增強(qiáng)實(shí)用性，將其固定為一個(gè)值。通過大量比較實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)得的RSSI值與理想狀態(tài)下的RSSI值，得到實(shí)驗(yàn)環(huán)境EAF大概為11dBm，A取值45，n取值3.5[8]。

在采集到RSSI值后，依據(jù)式（2）就可以得到閱讀器到標(biāo)簽的距離，通過三邊測(cè)量法[9]就可以定位到待定位標(biāo)簽的位置。如圖1所示。

在實(shí)際情況下因RSSI受多徑衰減和非視距阻擋的影響，所估測(cè)的d1、d2、d3值比實(shí)際的d大得多。三個(gè)圓兩兩相交于點(diǎn)D、E、F，連接D、E、F為三角形，以三角形的質(zhì)心作為對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的估測(cè)距離。如圖2所示。

2.圓內(nèi)接正六邊形定位系統(tǒng)。為了將RSSI受多徑衰減、非視距及系統(tǒng)本身的影響考慮在內(nèi)，基于超高頻RFID的高精度定位系統(tǒng)組成如圖3所示，使用三個(gè)遠(yuǎn)距離RFID閱讀器R1、R2、R3及4個(gè)參考電子標(biāo)簽A、B、C、D，其中3個(gè)閱讀器和3個(gè)參考電子標(biāo)簽處于圓內(nèi)接正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)，參考標(biāo)簽D處于圓的圓心。

閱讀器天線R1動(dòng)態(tài)掃描電子標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)，獲取參考標(biāo)簽A、B、C、D到R1的距離，分別記為r1A、r1B、r1C、r1D。由于參考標(biāo)簽的位置事實(shí)上已經(jīng)固定，將該系統(tǒng)定位得到的r1A、r1B、r1C、r1D與實(shí)際r1A0、r1B0、r1C0、r1D0做誤差計(jì)算，分別記為δ1A、δ1B、δ1C、δ1D。同理R2、R3也可以分別對(duì)參考電子標(biāo)簽A、B、C、D進(jìn)行定位并得到相應(yīng)的誤差δ2A、δ2B、δ2C、δ2D、δ3A、δ3B、δ3C、δ31D。將δ1=（δ1A+δ1B+δ1C）/3、δ2=（δ2A+δ2B+δ2C）/3、δ3=（δ3A+δ3B+δ3C）/3作為系統(tǒng)的定位誤差計(jì)入待定位標(biāo)簽的位置計(jì)算中。

二、仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

超高頻RFID定位系統(tǒng)的優(yōu)劣主要從其定位精度、成本等幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。本文特針對(duì)系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行仿真分析。

應(yīng)用MATLAB仿真軟件對(duì)基于三邊定位算法的定位系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真過程如下：

1.給定圓接正六邊形系統(tǒng)的半徑。則閱讀器R1、R2、R3的坐標(biāo)可知。

2.在圓的內(nèi)部產(chǎn)生F點(diǎn)，假設(shè)（x，y）。計(jì)算D點(diǎn)到閱讀器R1、R2、R3的距離，假設(shè)分別為d1、d2、d3。

3.d1、d2、d3分別加上該系統(tǒng)的定位誤差δ1、δ2、δ3后假設(shè)為D1、D2、D3。

4.在系統(tǒng)誤差不同的情況下，根據(jù)R1、R2、R3三點(diǎn)的坐標(biāo)和D1、D2、D3用三邊測(cè)量法計(jì)算待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。

給定圓的半徑為4m，F(xiàn)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)為（0，0），經(jīng)仿真得到F點(diǎn)的坐標(biāo)如圖4所示。從定位結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在不同定位誤差下具有高的定位精度和可靠性，定位誤差不超過0.04m。

結(jié)束語：

本文提出的圓內(nèi)接正六邊形的定位系統(tǒng)只使用了用3個(gè)閱讀器和4個(gè)參考標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)定位，將系統(tǒng)受多徑衰減、非視距及系統(tǒng)本身的影響用閱讀器到參考電子標(biāo)簽的定位誤差表征，并將該誤差用于待定位標(biāo)簽的定位中，通過三邊測(cè)量法進(jìn)行定位。仿真結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和精度，在降低RFID定位成本的基礎(chǔ)上提高了定位的性能。

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