基于RFID的WSN質(zhì)心定位算法研究

楊勇明

(上海理工大學(xué) 公共實(shí)驗(yàn)中心，上海 200093)

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基于RFID的WSN質(zhì)心定位算法研究

楊勇明

(上海理工大學(xué) 公共實(shí)驗(yàn)中心，上海 200093)

針對GPS在室內(nèi)定位精度較低的問題，提出一種基于RFID的WSN質(zhì)心定位算法，以WSN定位信息場為基礎(chǔ)，采用RFID標(biāo)簽定位信息關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的房間級定位和精確定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于RFID的WSN質(zhì)心定位算法具有定位精度高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于室內(nèi)定位等領(lǐng)域。

RFID；WSN質(zhì)心定位；定位信息場；關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫

RFID(Radio Frequency Identification)是一種具有非視距，非接觸，雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)識別技術(shù)[1-3]，其工作范圍廣、存儲容量大、穿透力較強(qiáng)、可重復(fù)使用，能實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽防碰撞識別等優(yōu)點(diǎn)，是室內(nèi)定位技術(shù)的研究前沿，已廣泛應(yīng)用于資產(chǎn)管理和物流追蹤等領(lǐng)域。本文在對傳統(tǒng)質(zhì)心定位算法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了基于RFID的WSN(Wireless Sensor Networks)質(zhì)心定位算法，以一定規(guī)律分布的RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和裝載有RFID閱讀器的目標(biāo)物體為實(shí)驗(yàn)平臺，閱讀器讀取標(biāo)簽定位信息，且傳送到上位機(jī)軟件系統(tǒng)，上位機(jī)軟件系根據(jù)WSN質(zhì)心定位算法，采用標(biāo)簽定位信息關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，確定目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)位置。

1 定位系統(tǒng)

如圖1所示，基于RFID的WSN定位系統(tǒng)由RFID閱讀器、RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)軟件系統(tǒng)3部分組成，其工作原理[4-6]：工作狀態(tài)下的RFID閱讀器通過天線發(fā)送RFID載波信號，若RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)進(jìn)入閱讀器的識別范圍時(shí)，接收閱讀器傳送的載波信號，且解調(diào)載波信號，然后按照閱讀器發(fā)送的相關(guān)指令，將標(biāo)簽內(nèi)存儲信息產(chǎn)生調(diào)制的載波信號，通過標(biāo)簽天線傳送給閱讀器，閱讀器接收載波信號，解調(diào)載波信號后及時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理后，做出正確的決策，從而控制目標(biāo)物體完成相應(yīng)任務(wù)。

2 距離—RSSI函數(shù)關(guān)系

基于接收信號強(qiáng)度(Received Signal Strength Indication，RSSI)的定位技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用：文獻(xiàn)[7～10]中假設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境為空曠空間，并將系統(tǒng)誤差假設(shè)成均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σ的高斯變量，這樣可簡化問題的復(fù)雜性，但隨著環(huán)境噪音的增大，定位誤差會(huì)急劇上升；文獻(xiàn)[11]使用了卡爾曼濾波對RSSI進(jìn)行濾波，取得了較好的效果，但在RSSI發(fā)生躍變時(shí)(實(shí)際RSSI變化>5 dBm)，再次收斂的速度會(huì)較慢。

圖1 基于RFID的WSN定位系統(tǒng)

圖2 傳統(tǒng)質(zhì)心定位算法

本文提出基于RFID的WSN質(zhì)心定位算法是針對復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，RFID載波信號易受到繞射、折射和散射等因素的影響，所以選擇對數(shù)常態(tài)模型較為合適[12-15]，根據(jù)式(1)對數(shù)常態(tài)傳輸損耗模型得到距離—RSSI函數(shù)關(guān)系

(1)

式中，PL(d)是距離RFID閱讀器d(m)處標(biāo)簽的RSSI值；PL(d0)是距離RFID閱讀器d0(m)處標(biāo)簽的RSSI均值；n∈[-2,-5]是信號衰減因子，與障礙物分布及其材料有關(guān)；Xσ是系統(tǒng)誤差，常用均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σ∈[4,10]的高斯變量表示，本文取值為0；d0表示RFID閱讀器與RFID標(biāo)簽間的參考距離，通常取值1m；d表示RFID閱讀器與RFID標(biāo)簽間的實(shí)時(shí)距離。

3 基于RFID的WSN質(zhì)心定位算法

3.1 傳統(tǒng)的質(zhì)心定位算法

圖2(a)所示傳統(tǒng)質(zhì)心定位算法[16-17]，設(shè)已知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(X1,Y1), (X2,Y2),…, (Xn,Yn)，那么未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)可以根據(jù)式(2)計(jì)算；如圖2(b)、圖2(c)所示，選用已知節(jié)點(diǎn)的不合理性，會(huì)降低未知節(jié)點(diǎn)的定位精度，因未知節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果不是質(zhì)心，而是一個(gè)公共區(qū)域，所以必須研究改進(jìn)的質(zhì)心定位算法，從而提高定位精度[18-19]。

(2)

3.2 WSN質(zhì)心定位算法

圖3所示基于RFID的WSN定位信息場[20-21]，特征參數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，形狀也可根據(jù)實(shí)際需求靈活擴(kuò)展，當(dāng)RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)分布密度改變時(shí)，無需更改標(biāo)簽內(nèi)部存儲信息，也不需要更改WSN定位信息場的特征參數(shù)，當(dāng)RFID閱讀器讀取標(biāo)簽信息，通過以太網(wǎng)傳送到上位機(jī)軟件系統(tǒng)后，系統(tǒng)采用圖4所示基于RFID的WSN質(zhì)心定位算法，根據(jù)圖5所示定位算法流程圖，完成對目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)定位。

(1) WSN定位信息場?；赗FID的WSN定位信息場包括房間定位柵格和精確定位柵格兩部分，其中精確定位柵格的長和寬分別為L1和W1;R代表房間定位柵格所在列;S代表房間定位柵格所在行;P代表精確定位柵格所在列;Q代表精確定位柵格所在行。WSN定位信息場由均勻分布的(R×S)只房間定位柵格構(gòu)成，每只房間定位柵格由均勻分布的(P×Q)只精確定位柵格組成；RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的房間定位由(R,S)確定，精確定位由 確定。RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的存儲信息包括：R、S、P、Q、RSSI、有無障礙物、障礙物前、后、左、右通行情況、停靠和倉庫等信息，其中R、S、P、Q是標(biāo)簽的唯一識別碼，代表房間位置； 代表閱讀器與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)距離，根據(jù)式(2)計(jì)算；有無障礙物、障礙物前、后、左、右通行情況、?？亢蛡}庫等代表輔助定位信息。圖3中R=2,S=3,P=1,Q=1,1,0,0,1,1,P=1,S=0表示該RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)位于第2列和第3行交叉的Room 8房間定位柵格中，同時(shí)處于該房間定位柵格中第1列和第1行交叉的精確定位柵格處，四周有障礙物，前、后兩個(gè)方向不可通行，左、右兩個(gè)方向可以通行，且該標(biāo)簽處于?？繖z修點(diǎn)房間，不在倉庫房間。

圖3 基于RFID的WSN定位信息場

圖4 基于RFID的WSN質(zhì)心定位算法

(2)定位算法工作原理。圖3中，兩個(gè)RFID閱讀器安裝在目標(biāo)物體中央位置，分別設(shè)為 ReaderI和ReaderII，ReaderI的測量坐標(biāo)為(RⅠx,RⅠy)，ReaderII的測量坐標(biāo)為RⅡx,RⅡy，則ReaderI和ReaderII的實(shí)時(shí)測量坐標(biāo)平均值即為目標(biāo)物體實(shí)時(shí)坐標(biāo)：

1)識別標(biāo)簽。兩個(gè)RFID閱讀器分別讀取其識別范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，讀取包括房間定位信息(R,S)，精確定位信息(P,Q)，RSSI信息，有無障礙物以及障礙物前、后、左、右同行情況、?？繖z修點(diǎn)和倉庫位置等信息；

2)傳送信息。閱讀器ReaderI和ReaderII識別標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)信息后，以Ri,Si,Pi,Qi,RSSIi…(i=1,2,3,4)數(shù)據(jù)包的形式經(jīng)過以太網(wǎng)傳送到上位機(jī)軟件系統(tǒng)；

3)計(jì)算標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)接收標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)信息后，根據(jù)式(3)計(jì)算標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)(TIx,TIy)

(3)

4)根據(jù)WSN質(zhì)心定位算法計(jì)算閱讀器測量坐標(biāo)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)接收到標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)信息后，根據(jù)式(1)，將RSSI轉(zhuǎn)化為距離rI1、rI2、rI3、rI4和rII1、rII2、rII3、rII4，依據(jù)距離越近，對定位影響越大的原則，選擇3個(gè)最佳定位標(biāo)簽，以這些定位標(biāo)簽為圓心，對應(yīng)的RSSI距離為半徑畫圓，著重對這些圓相交的公共區(qū)域進(jìn)行研究，利用表1，選擇ReaderI識別標(biāo)簽對應(yīng)三角形頂點(diǎn)坐標(biāo)(XIA1,YIA1) 、(XIA2,YIA2)、(XIA3,YIA3)，ReaderII識別標(biāo)簽對應(yīng)三角形頂點(diǎn)坐標(biāo)(XIIA1,YIIA1) 、(XIIA2,YIIA2) 、(XIIA3,YIIA3) ，根據(jù)式(4)計(jì)算ReaderI測量坐標(biāo)(RIx,RIy) 和ReaderII測量坐標(biāo)(RIIx,RIIy)

(4)

表1 RSSI-半徑-圓交點(diǎn)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫

5)計(jì)算目標(biāo)物體測量坐標(biāo)。根據(jù)式(5)計(jì)算目標(biāo)物體測量坐標(biāo)(Rx,Ry)

(5)

6)確定目標(biāo)物體房間位置。根據(jù)第(4)步選擇的3個(gè)最佳定位標(biāo)簽，利用表2確定目標(biāo)物體所在房間位置。

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境選擇上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院一樓實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)儀器采用上海網(wǎng)頻電子科技有限公司的通用型RFID閱讀器和有源標(biāo)簽，設(shè)備通訊距離最遠(yuǎn)50 m，圓極化全向性天線，識別速率100只標(biāo)簽/s，具備200只標(biāo)簽無碰撞讀取的能力，可直接輸出RSSI，適用于本文提出的基于RFID的WSN質(zhì)心定位系統(tǒng)。

4.2 上位機(jī)軟件

參照圖5所示的定位算法流程圖，編寫了圖6所示的基于VB 6. 0的WSN質(zhì)心定位算法上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)定位等功能。

表2 房間號碼-R-S-標(biāo)簽編號關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫

圖5 WSN質(zhì)心定位算法流程圖

圖6 WSN質(zhì)心定位算法上位機(jī)軟件

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，取d0=1 m，對同一RFID標(biāo)簽，測量其前、后、左、右、上、下等6個(gè)方向的RSSI值100次，取平均值PLd0=-60.12 dBm代入式(1)，然后每隔m測量RSSI值代入式(1)計(jì)算n，取平均值n=-3.56入式(1)，得到如圖7所示距離-RSSI函數(shù)關(guān)系。

圖7 距離—RSSI函數(shù)關(guān)系

根據(jù)圖3進(jìn)行RFID閱讀器和標(biāo)簽布置，L1=2.000 0 m，W1=2.000 0 m， Room6中，RFID標(biāo)簽(R,S,P,Q)信息如下：標(biāo)簽21 ，標(biāo)簽22 ，標(biāo)簽23 ，標(biāo)簽24 ，ReaderI ，ReaderII。

根據(jù)式(3)計(jì)算各個(gè)標(biāo)簽的實(shí)際坐標(biāo)：

標(biāo)簽21實(shí)際坐標(biāo)為(1.000 0，1.000 0)，

標(biāo)簽22實(shí)際坐標(biāo)為(3.000 0，1.000 0)，

標(biāo)簽23實(shí)際坐標(biāo)為(1.000 0，3.000 0)，

標(biāo)簽24實(shí)際坐標(biāo)為(3.000 0，3.000 0)，

ReaderI實(shí)際坐標(biāo)為(0.750 0，2.500 0)，

ReaderII實(shí)際坐標(biāo)為(1.250 0，2.500 0)。

4.3.1 傳統(tǒng)質(zhì)心定位算法計(jì)算目標(biāo)物體坐標(biāo)

圖8 WSN質(zhì)心定位算法實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4.3.2 WSN質(zhì)心定位算法確定目標(biāo)物坐標(biāo)

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，分布有雜亂障礙物和有序排列的障礙物，如表3所示選擇21、23、24作為最佳定位標(biāo)簽，采用WSN質(zhì)心定位算法，利用表1，分別確定ReaderI和ReaderII識別標(biāo)簽對應(yīng)三角形頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為

(XⅠA1,YⅠA1)=(0.503 6,2.273 4)

(XⅠA2,YⅠA2)=(0.481 5,2.254 1)

(XⅠA3,YⅠA3)=(1.572 9,2.332 0)

(XⅡA1,YⅡA1)=(0.990 6,2.010 0)

(XⅡA2,YⅡA2)=(0.874 2,2.293 9)

表3 距離—RSSI數(shù)據(jù)

4.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表3表明，相對于傳統(tǒng)的質(zhì)心定位算法，本文提出的WSN質(zhì)心定位算法定位精度高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可用于相對復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境定位。

5 結(jié)束語

本文提出基于RFID的WSN質(zhì)心定位算法，減少了RFID閱讀器的使用量 ，降低系統(tǒng)成本，合理引用更多的標(biāo)簽定位信息，根據(jù)WSN質(zhì)心定位算法，引入標(biāo)簽定位信息關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫這一概念，不僅節(jié)省定位時(shí)間，且提升了定位精度，大幅增強(qiáng)了定位系統(tǒng)的靈活性和適用性，可用于室內(nèi)定位及導(dǎo)航等領(lǐng)域。

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Study on WSN Centroid Positioning Algorithm Based on RFID

YANG Yongming

(Public Experiment Center,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

With the development of the IOT technology, indoor positioning is more attention, this paper is aimed at the lower accuracy of GPS indoor positioning,put forward WSN centroid positioning algorithm based on RFID and WSN positioning information field, by using the relational database of RFID tags positioning information,to achieve the goal’s room level positioning and precision positioning . Experimental results show that WSN centroid positioning algorithm based on RFID has higher positioning accuracy, and strong ability to adapt the environment, so can be used in the field of indoor positioning.

RFID; WSN centroid positioning; positioning information field; relational database

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.021

2016- 03- 02

上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12ZR1420700)；上海市高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(1014204803)

楊勇明(1986-)，男，碩士，工程師。研究方向：機(jī)器人技術(shù)及機(jī)電一體化技術(shù)。

TN821+.1；TP393.9

A

1007-7820(2016)12-073-06