基于RFID技術(shù)的智慧園區(qū)室內(nèi)定位算法

吳文炤 ，王瀟 ，趙鯤鵬 ，文亞鳳

（1.北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100070；2.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；3.國家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心，天津 300012）

基于RFID技術(shù)的智慧園區(qū)室內(nèi)定位算法

吳文炤1，王瀟2，趙鯤鵬3，文亞鳳2

（1.北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100070；2.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；3.國家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心，天津 300012）

針對南北園區(qū)智慧樓宇內(nèi)大量資產(chǎn)設(shè)備全方位管理的多方面需求，在基于RFID系統(tǒng)資產(chǎn)設(shè)備管理的基礎(chǔ)上，利用閱讀器與電子標(biāo)簽之間的無線感知特性，結(jié)合參考標(biāo)簽與定位模糊環(huán)概念，提出了一種多閱讀器信息融合的室內(nèi)定位算法，算法具有定位精確度高、復(fù)雜度低、成本低的特點，能夠?qū)怯顑?nèi)資產(chǎn)設(shè)備標(biāo)簽進行快速準(zhǔn)確定位，從而實現(xiàn)對智慧園區(qū)樓宇內(nèi)的大量資產(chǎn)進行更高效、更智能的全周期管理。

智慧園區(qū)；RFID；定位；信息融合

1 引言

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建設(shè)智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)在信息化、自動化、智能化等方面都有顯著提升，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也成為支撐智慧園區(qū)建設(shè)的核心技術(shù)之一。作為物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一的射頻識別（radio frequency identification，RFID）［1］技術(shù)通過非接觸式無線通信方式對智慧園區(qū)內(nèi)大量資產(chǎn)設(shè)備進行高效便捷的智能化管理。園區(qū)樓宇內(nèi)的各種資產(chǎn)設(shè)備數(shù)量龐大、流動頻繁，對資產(chǎn)設(shè)備位置信息的有效管理是實現(xiàn)資產(chǎn)全周期管理過程中非常重要的一部分。

適用于室內(nèi)定位環(huán)境的定位技術(shù)包括射頻識別定位技術(shù)［2］、超寬帶定位技術(shù)［3］、光跟蹤定位技術(shù)［4］等。由于 RFID定位系統(tǒng)具有非接觸、非視距、定位精度高、成本低等特點，逐漸成為室內(nèi)定位系統(tǒng)的優(yōu)選技術(shù)，受到越來越多的關(guān)注。目前，已有許多基于RFID的定位技術(shù)以及典型的系 統(tǒng)，如 LANDMARC［5］、VIRE［6］等 ，這些都 為 RFID 室 內(nèi) 定位技術(shù)提供了豐富的指導(dǎo)經(jīng)驗，奠定了良好的基礎(chǔ)。LANDMARC定位系統(tǒng)通過引入位置固定的參考標(biāo)簽來輔助定位，根據(jù)閱讀器接收到的目標(biāo)標(biāo)簽與參考標(biāo)簽的信號強度值之差，選出最近鄰的參考標(biāo)簽，通過權(quán)重質(zhì)心法估計目標(biāo)標(biāo)簽位置。但是LANDMARC定位精度受閱讀器最大可測能級數(shù)的影響較大。

基于以上分析，針對智慧園區(qū)RFID資產(chǎn)管理系統(tǒng)的特點，本文在LANDMARC系統(tǒng)參考標(biāo)簽的基礎(chǔ)上，將定位模糊環(huán)的思想引入RFID定位技術(shù)中，提出多閱讀器信息融合的RFID室內(nèi)定位算法，算法具有較高的定位精度、低復(fù)雜度、低成本、低能耗的特點，是應(yīng)用于智慧園區(qū)樓宇具有較高性價比的定位算法。

2 RFID系統(tǒng)組成及原理

RFID技術(shù)是一種非接觸式的無線通信系統(tǒng)，主要包括閱讀器、電子標(biāo)簽和天線3個部分。

RFID系統(tǒng)通過射頻電磁場把標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)介喿x器，從而完成自動識別和目標(biāo)追蹤的功能，RFID系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)架構(gòu)

（1）電子標(biāo)簽

RFID電子標(biāo)簽內(nèi)部有設(shè)備廠商預(yù)先設(shè)定好的唯一的ID，嵌入物體上，以此來識別目標(biāo)對象。當(dāng)電子標(biāo)簽位于閱讀器的通信識別范圍內(nèi)時，標(biāo)簽便通過微型天線將存儲于內(nèi)部芯片的ID信息發(fā)送給閱讀器。RFID標(biāo)簽具有可重復(fù)多次使用、數(shù)據(jù)安全可靠、耐用性強、體積小巧、形式多樣等特點。

（2）閱讀器

閱讀器也稱讀寫器，用于對電子標(biāo)簽的讀取或?qū)懭搿ｉ喿x器主要由射頻模塊和基帶模塊2個部分組成。其中射頻模塊是閱讀器的核心部分，由天線和調(diào)制解調(diào)電路組成，其主要功能有兩個：一是發(fā)射無線信號，使其識別范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽做出響應(yīng)；二是對標(biāo)簽傳回的信號進行相應(yīng)的加工處理，提取標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

（3）天線

天線的作用是在閱讀器和電子標(biāo)簽之間傳遞射頻信號，以控制數(shù)據(jù)的讀取和通信。天線在閱讀器和標(biāo)簽之間發(fā)射電磁波，為電子標(biāo)簽提供能量，并且負責(zé)接收來自標(biāo)簽返回的信號。

RFID系統(tǒng)的工作原理是：首先閱讀器通過天線發(fā)射一定頻率的射頻信號，處于閱讀器射頻識別范圍區(qū)域內(nèi)的電子標(biāo)簽感應(yīng)到射頻信號，其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流使得標(biāo)簽獲得能量被激活，然后向閱讀器發(fā)送標(biāo)簽ID。

3 智慧樓宇室內(nèi)定位算法

3.1 定位模糊環(huán)

在RFID技術(shù)的室內(nèi)定位算法中，最經(jīng)典的就是LANDMARC系統(tǒng)算法，其核心思想是通過引入位置固定的參考標(biāo)簽來輔助定位，目標(biāo)標(biāo)簽與其鄰近的參考標(biāo)簽受到的環(huán)境影響是一致的，閱讀器接收到位置鄰近的目標(biāo)標(biāo)簽與參考標(biāo)簽的信號強度值近似，所以系統(tǒng)根據(jù)閱讀器分別接收到的目標(biāo)標(biāo)簽與參考標(biāo)簽的信號強度值的差值，選出最近鄰的參考標(biāo)簽，通過權(quán)重質(zhì)心法估計目標(biāo)標(biāo)簽位置。但是，根據(jù)無線信號在自由空間的傳播特性，僅考慮目標(biāo)標(biāo)簽與參考標(biāo)簽的信號強度值近似，只能說明參考標(biāo)簽在以閱讀器為圓心、以目標(biāo)標(biāo)簽信號強度R為圓心的圓周線附近，并不能說明該參考標(biāo)簽位置與目標(biāo)標(biāo)簽近鄰。在實際應(yīng)用中，由于環(huán)境因素（如多徑效應(yīng)、溫度、干擾與噪聲等）的變化，會造成接收到的無線信號強度的偏差，故本文引入定位模糊環(huán)的思想［7］，即在定位過程中，目標(biāo)標(biāo)簽應(yīng)處于以閱讀器為圓心，以信號強度值R+Re為內(nèi)半徑、R-Re為外半徑的模糊環(huán)內(nèi)。本文算法標(biāo)簽布局及定位模糊環(huán)如圖2所示。

圖2 標(biāo)簽布局及模糊環(huán)

假設(shè)本算法定位區(qū)域中有H個閱讀器、N個參考標(biāo)簽，由于目標(biāo)標(biāo)簽位于模糊環(huán)內(nèi)，處于模糊環(huán)外的參考標(biāo)簽對目標(biāo)標(biāo)簽的定位意義不大，所以為減少計算量降低系統(tǒng)能耗，只選取模糊環(huán)內(nèi)的參考標(biāo)簽進行位置估計，設(shè)模糊環(huán)內(nèi)的參考標(biāo)簽數(shù)為M（M＜N）個。H個閱讀器分別讀取目標(biāo)標(biāo)簽和M個參考標(biāo)簽的信號強度，以向量形式表示，則目標(biāo)標(biāo)簽的場強向量記作 R=（R1，R2，…，RH），其中 Rj表示第j個閱讀器讀取的目標(biāo)標(biāo)簽的場強值；參考標(biāo)簽的場強向量記作：S（i）=（S1（i），S2（i），…，SH（i）），其中 Sj（i）表示第 j個閱讀器讀取的第 i個參考標(biāo)簽的場強值 （1≤j≤H，1≤i≤M）。

根據(jù)定位模糊環(huán)的特性，定義隸屬度：

其中，D（i，j）=|Rj-Sj（i）|，表示參考標(biāo)簽與目標(biāo)標(biāo)簽的場強距離；Re為定位模糊環(huán)寬度參數(shù)，其值大小是環(huán)寬度的一半，根據(jù)定位實際環(huán)境而定。

隸屬度函數(shù)如圖 3 所示，D（i，j）越接近 0，隸屬度μ（i，j）越接近 1，則表明參考標(biāo)簽越靠近定位模糊環(huán)的中心圓周線，即圖2中模糊環(huán)中虛線所示的圓周，但是這還不能說明該參考標(biāo)簽與目標(biāo)標(biāo)簽位置近鄰，因此采用信息融合的方法解決這一問題。

圖3 隸屬度函數(shù)示意

3.2 多閱讀器信息融合

當(dāng)參考標(biāo)簽距離目標(biāo)標(biāo)簽較遠時，會存在某個或者某些閱讀器判定隸屬度 μ（i，j）較接近于 1，但是其他的閱讀器判定的結(jié)果可能是 μ（i，j）＜＜1，所以采用最小值融合的方法，融合后的值較小，即可判定參考標(biāo)簽距離較遠，則可以排除該參考標(biāo)簽；當(dāng)參考標(biāo)簽距離目標(biāo)標(biāo)簽較近時，所有的閱讀器計算得到的 μ（i，j）都較接近 1，采用最小值融合法融合后的結(jié)果仍較接近1，故而判定該參考標(biāo)簽為目標(biāo)標(biāo)簽的近鄰標(biāo)簽。最小值融合方法如下所示：

其中，F(xiàn)表示融合算子，采用最小值算子進行融合計算；μ～（i）表示融合后，第i個參考標(biāo)簽與目標(biāo)標(biāo)簽的接近程度，將其定義為參考標(biāo)簽貼近度。

當(dāng)μ～（i）小于某一設(shè)定值β（?β∈［0，1］）時，表示參考標(biāo)簽i和目標(biāo)標(biāo)簽的位置相對較遠。當(dāng)μ～（i）大于該設(shè)定值β時，參考標(biāo)簽i和目標(biāo)標(biāo)簽的位置相對較近，則表示如下：

其中，R代表參考標(biāo)簽i與目標(biāo)標(biāo)簽的位置關(guān)系：參考標(biāo)簽i和待定位節(jié)點A的位置較為接近。μR（i）表示參考標(biāo)簽 i對關(guān)系 R 的隸屬度，當(dāng) μR（i）≥β時，參考標(biāo)簽 i隸屬于關(guān)系R，隸屬于關(guān)系R的所有參考標(biāo)簽即判定為與目標(biāo)標(biāo)簽位置近鄰，可參與目標(biāo)標(biāo)簽的定位計算。在目標(biāo)標(biāo)簽近鄰的參考標(biāo)簽中選擇全部或者若干個貼近度最大的標(biāo)簽進行加權(quán)質(zhì)心運算，貼近度越大表示參考標(biāo)簽距離目標(biāo)標(biāo)簽越近，其所占據(jù)的權(quán)重越大，設(shè)k為所選取最終參與計算的參考標(biāo)簽數(shù)目。目標(biāo)標(biāo)簽的位置如下：

所得結(jié)果即目標(biāo)標(biāo)簽的估計坐標(biāo)。

4 算法性能

根據(jù)本文算法定位原理，利用MATLAB軟件對該算法進行仿真，仿真環(huán)境為10 m×10 m的室內(nèi)方形區(qū)域，在方形區(qū)域的4個角落分別放置一個閱讀器，按照網(wǎng)格形狀均勻布置參考標(biāo)簽，目標(biāo)標(biāo)簽采用隨機部署的方式，圖4為參考標(biāo)簽按照5×5的網(wǎng)格形狀部署分布。根據(jù)RFID系統(tǒng)中閱讀器與標(biāo)簽之間通信距離有限的特點，本文采用相對定位誤差E表示算法的定位精度，通信距離R設(shè)為5 m。

其中，x、y為估計坐標(biāo)，x＇、y＇為真實坐標(biāo)。

圖4 標(biāo)簽布局

4.1 閱讀器及參考標(biāo)簽數(shù)量對定位精度的影響

閱讀器及參考標(biāo)簽數(shù)量對定位精度的影響如圖5所示。5條曲線分別為不同參考標(biāo)簽部署密度下，隨著閱讀器數(shù)目的增加，相對定位誤差的變化情況，在仿真過程中，閱讀器隨機布置于定位空間?？梢钥闯?，隨著閱讀器數(shù)量的增加，相對定位誤差減少，這是由于本文算法信息融合的特點，融合多個閱讀器的判決信息綜合判定參考標(biāo)簽是否與目標(biāo)標(biāo)簽近鄰，且得到近鄰參考標(biāo)簽更精確的貼近度，以此來計算目標(biāo)標(biāo)簽位置，從而得到更高的精確度。

圖5 閱讀器及參考標(biāo)簽數(shù)量對定位精度的影響

為準(zhǔn)確反映不同參考標(biāo)簽部署密度對算法定位精度的影響，在定位區(qū)域中參考標(biāo)簽分別以 4×4、5×5、8×8、10×10、16×16的網(wǎng)格形狀排列，即參考標(biāo)簽的部署間隔分別為 2.5 m、2 m、1.25 m、1 m、0.625 m。由仿真結(jié)果可知，隨著參考標(biāo)簽部署密度的增大，相對定位誤差減小，這是因為參考標(biāo)簽數(shù)量增加密度增加，可選擇的與目標(biāo)標(biāo)簽近鄰參考標(biāo)簽數(shù)量更多，篩選出參與定位計算的參考標(biāo)簽貼近度更大，所以定位結(jié)果更精確。當(dāng)參考標(biāo)簽密度增大到一定程度，由10×10到16×16時的定位精度的提高相對較小，其主要原因在于當(dāng)參考標(biāo)簽部署密度過高時，過多的參考標(biāo)簽信號會對閱讀器接收信號產(chǎn)生干擾。因此，在參考標(biāo)簽的布局中選擇1 m的布置間隔最優(yōu)，既可以提高算法精確度，又能降低算法復(fù)雜度，降低系統(tǒng)整體能耗。

4.2 定位模糊環(huán)寬度參數(shù)尸e對定位精度的影響

定位模糊環(huán)寬度參數(shù)Re的大小關(guān)系到選取的近鄰參考標(biāo)簽的數(shù)量以及參考標(biāo)簽與目標(biāo)標(biāo)簽的貼近程度。Re太小，模糊環(huán)變窄，定位計算可選擇的近鄰參考標(biāo)簽的數(shù)目就少，影響定位精度；Re太大，模糊環(huán)太寬，環(huán)內(nèi)參考標(biāo)簽數(shù)目過多，不僅影響定位精度，而且增加了算法運算量。所以應(yīng)選擇合適的寬度，Re對定位精度的影響如圖6所示，由仿真結(jié)果可得，當(dāng)Re=3時，相對定位誤差最小，所以在本環(huán)境中將模糊環(huán)寬度參數(shù)設(shè)置為Re=3 m。

圖6 Re對定位精度的影響

4.3 與LANDMAC算法對比

為驗證算法的有效性，在不同參考標(biāo)簽密度下與經(jīng)典RFID定位系統(tǒng)LANDMAC［5］對比，相對定位誤差如圖 7所示。閱讀器按照圖 4 布局，參考標(biāo)簽分別按照 4×4、5×5、8×8、10×10、16×16的網(wǎng)格形狀排列。由圖 7可知，本文算法對目標(biāo)標(biāo)簽的定位效果明顯要優(yōu)于LANDMAC系統(tǒng)。這是由于LANDMAC系統(tǒng)采用目標(biāo)標(biāo)簽與參考標(biāo)簽?zāi)芰康燃墯W氏距離的辦法確定近鄰參考標(biāo)簽：一方面，能量等級的劃分會引入誤差；另一方面，目標(biāo)標(biāo)簽與參考標(biāo)簽的信號強度值近似只能說明參考標(biāo)簽在以閱讀器為圓心、以目標(biāo)標(biāo)簽信號強度R為圓心的圓周線附近，并不能說明該參考標(biāo)簽位置與目標(biāo)標(biāo)簽近鄰。本文算法直接利用信號強度值，并且采用信息融合的辦法可更準(zhǔn)確地選擇出近鄰參考標(biāo)簽，從而提高定位精度。

圖7 與LANDMAC算法對比

5 結(jié)束語

針對南北園區(qū)智慧樓宇內(nèi)大量資產(chǎn)設(shè)備全方位管理的多方面需求，通過物聯(lián)網(wǎng)智能感知技術(shù)對智慧樓宇的資產(chǎn)進行有效管理及維護，在基于RFID系統(tǒng)資產(chǎn)設(shè)備管理的基礎(chǔ)上，利用RFID技術(shù)中閱讀器與電子標(biāo)簽之間的無線感知特性，結(jié)合定位模糊環(huán)概念，提出多閱讀器信息融合的RFID室內(nèi)定位算法，算法具有定位精度較高、復(fù)雜度低、功耗小等特點，能夠?qū)怯顑?nèi)資產(chǎn)設(shè)備標(biāo)簽進行快速準(zhǔn)確定位，從而實現(xiàn)對智慧園區(qū)樓宇內(nèi)的大量資產(chǎn)設(shè)備進行更高效、更智能的全周期管理。

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Indoor localization algorithm based on RFID technology for smart park

WU Wenzhao1，WANG Xiao2，ZHAO Kunpeng3，WEN Yafeng2
1.Beijing GuoDianTong Network Technology Co.，Ltd.，Beijing 100070，China 2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China 3.State Grid Customer Services Center，Tianjin 300012，China

To meet the various requirements of full range management of vast device in buildings of smart park，an indoor localization algorithm about information fusion of multi readers was proposed.Based on device management in RFID system，using the wireless sensing characteristics between the reader and the tag，and combining with the reference tag concept，an indoor localization algorithm based on RFID was proposed.The algorithm had the characteristic of high position accuracy，low complexity and low cost.This algorithm could realize the localization of device tag in smart buildings，and realize management to a large number of device in buildings of smart park more efficiently and intelligently.

smart park，RFID，localization，information fusion

TN98

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016073

2015-09-20；

2016-02-01

吳文炤（1966-），男，北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司高級工程師，主要從事電力信息通信方向研究工作。

王瀟（1990-），女，華北電力大學(xué)碩士生，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及RFID標(biāo)簽定位。

趙鯤鵬（1976-），男，國家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心高級工程師，主要研究方向為電力信息通信。

文亞鳳（1968-），女，華北電力大學(xué)副教授，主要研究方向為信息系統(tǒng)與信息安全。