常用的RFID室內(nèi)定位算法研究

蔣守花

【摘 要】隨著無線通信、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，室內(nèi)無線定位技術(shù)正逐漸受到越來越多人的關(guān)注。由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性和不可控性，對高精度的室內(nèi)定位算法的研究就顯得尤為重要。文章對幾種常用的無線射頻識別室內(nèi)定位算法進(jìn)行了研究，為今后算法的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；室內(nèi)無線定位；定位算法；無線射頻識別

0 前言

近年來，我國的RFID[1]技術(shù)研究緊隨國際潮流得到了快速發(fā)展。國內(nèi)對于RFID室內(nèi)定位技術(shù)的研究主要集中在對算法的研究和改進(jìn)。比如北京交通大學(xué)的張思東教授就詳細(xì)研究了RFID的位置感知系統(tǒng)；西南交通大學(xué)的范平志教授對LANDMARC定位算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了最近鄰居改進(jìn)算法和基于誤差多級處理的數(shù)據(jù)融合定位方法。

1 RFID系統(tǒng)的組成

RFID系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：電子標(biāo)簽、閱讀器、中間件和數(shù)據(jù)中心。工作原理：把標(biāo)簽和閱讀器嵌入設(shè)備中，利用天線發(fā)射信號產(chǎn)生信號源，閱讀器接收標(biāo)簽發(fā)出的信號，再利用電感或者電磁的耦合，實(shí)現(xiàn)了不用任何聯(lián)系就能傳遞信息的自動識別功能。射頻識別技術(shù)系統(tǒng)就是利用這個(gè)原理進(jìn)行識別、傳輸、共享信息的集合智能化系統(tǒng)。

閱讀器被分為手持便攜式和固定方式兩種。主要是用來讀取、處理標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，或者作為單獨(dú)的整體寫入標(biāo)簽信息設(shè)備，或者作為一個(gè)部分嵌入到系統(tǒng)中。閱讀器主要由射頻模塊、讀寫模塊和天線組成。

電子標(biāo)簽被當(dāng)作讀寫內(nèi)存，在傳輸過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，加密等處理，它是由集成電路組成的。射頻識別技術(shù)的標(biāo)簽內(nèi)部有一個(gè)唯一的ID信息，根據(jù)電源方式可將其分為三種形式：主動標(biāo)簽、被動標(biāo)簽或半主動標(biāo)簽。標(biāo)簽內(nèi)部由射頻模塊、標(biāo)簽芯片和天線三大功能模塊組成。

2 常用的RFID室內(nèi)定位算法

RFID室內(nèi)定位算法分類：

根據(jù)是否對電磁波傳輸距離進(jìn)行測算，可將基于RFID的室內(nèi)定位算法分為基于測距的RFID定位機(jī)制和基于非測距的RFID定位機(jī)制[2]，測距定位機(jī)制包括TOA、TDOA、AOA以及RSSI等定位方法，非測距定位機(jī)制包括質(zhì)心定位、APIT以及kNN定位方法等。

2.1 基于RFID測距室內(nèi)定位算法

2.1.1 基于信號達(dá)到時(shí)間（TOA）測距定位算法

電子標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽，由于無源標(biāo)簽的不確定性，測距定位算法都采用有源電子標(biāo)簽，測距定位算法基礎(chǔ)是三邊定位及多邊定位。

三邊定位是多邊定位的特殊情況。TOA定位方法就是基于三邊定位。

其算法原理是使用3個(gè)以上閱讀器來接收同一個(gè)有源標(biāo)簽發(fā)出的射頻信號，已知信號的發(fā)送速度（約等于光速c=3×108m/s），根據(jù)信號的傳播時(shí)間來計(jì)算閱讀器與有源標(biāo)簽之間的距離，最后使用三邊定位或極大似然估計(jì)來確定有源標(biāo)簽的位置。

下面用三邊定位算法來介紹TOA算法。如圖1所示。

在圖1（a）中，已知三個(gè)參考點(diǎn)的位置為A1（x1，y1）、A2（x2，y2）、A3（x3，y3），設(shè)待定位點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的距離分別為r1、r2、r3。理想情況下，設(shè)3個(gè)參考點(diǎn)與待定位點(diǎn)的距離確定的圓相交于一點(diǎn)N，那么N就是待定位點(diǎn)的位置所在。在圖1（b），三個(gè)圓并不一定相交于一點(diǎn)，那么點(diǎn)N的坐標(biāo)（x，y）用極大似然估計(jì)法求出。

根據(jù)多邊定位的估計(jì)算子=Ab，可以計(jì)算出待定點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y）為：

三邊定位[3]是多邊定位特殊情況，已知參考點(diǎn)A1，A2，A3...，所對應(yīng)的坐標(biāo)（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）...。假設(shè)待定位點(diǎn)N的坐標(biāo)為（x，y），

則有方程組：

將前面n-1個(gè)方程分別減去第n個(gè)方程后得：

這樣就可以得到線性方程AX=b，其中：

通過上述方程的轉(zhuǎn)換，待定點(diǎn)N（x，y）可根據(jù)多邊定位估計(jì)算法=（AA）Ab求得。

2.1.2 基于信號到達(dá)角（AOA）測距定位算法

AOA算法[4]中常用的方法是：1）兩條射線和兩個(gè)夾角確定一點(diǎn)；2）三條射線和三個(gè)夾角確定一點(diǎn)。首先介紹第一種情況，如圖2所示，參考標(biāo)簽A（x1，y1）和B（x，y）收到的信號夾角分別是？琢和？茁。

圖2 到達(dá)夾角AOA測距

由幾何公式：

x=y= （6）

能夠計(jì)算出待定位點(diǎn)N（x，y）的坐標(biāo)，這種情況的前提條件是參考點(diǎn)A和點(diǎn)B的坐標(biāo)都是校正過后的情況下得出的結(jié)果。

第二種情況是由三個(gè)參考點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)確定待定位點(diǎn)N的坐標(biāo)。通過測量？琢=∠ANB，？茁=∠ANC，？字=∠BNC的值可以得到點(diǎn)N的坐標(biāo)（x，y）。

根據(jù)圓的內(nèi)接四邊形對角互補(bǔ)和弦所對的圓周角等于它所對的圓心角的性質(zhì)，由點(diǎn)B（x1，y1）和點(diǎn)C（x2，y2）和角？琢的位置，可以確定A、B、N確定的圓O（xo1，yo2），弦BC對應(yīng)的圓心角為？茲=（2？仔-2？琢）。

由上式可以求出圓心O（x，y）和半徑ro1，由此可得待定位點(diǎn)N的坐標(biāo)。

2.2 基于RFID非測距室內(nèi)定位算法

2.2.1 質(zhì)心定位算法

質(zhì)心定位算法顧名思義就是通過比較多個(gè)閱讀器接收到電子標(biāo)簽的信號強(qiáng)度信息，即RSSI信息，從中選取與待定位點(diǎn)RSSI信息最相似的n個(gè)參考點(diǎn)，將這n個(gè)點(diǎn)確定的多邊形質(zhì)心作為待定位點(diǎn)LTi的估計(jì)位置，即有

其中，（x，y）表示第l個(gè)相似參考點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.2.2 kNN定位算法

kNN定位算法原理與質(zhì)心定位算法既有相同之處，又存在很大的區(qū)別。相同之處在于算法中也是要搜集n個(gè)與待定位標(biāo)簽近鄰的標(biāo)簽，并根據(jù)這n個(gè)近鄰標(biāo)簽的位置來估計(jì)待定位標(biāo)簽的位置。不同的是kNN定位算法并不是簡單地將n個(gè)近鄰標(biāo)簽位置求算術(shù)平均來確定待定位標(biāo)簽的位置，而是根據(jù)近鄰標(biāo)簽與待定位標(biāo)簽之間的RSSI[5]差異，來賦予每個(gè)近鄰標(biāo)簽位置不同的權(quán)重，即是：

（x，y）=W（x，y）（9）

式（9）中，W表示的是第l個(gè)近鄰標(biāo)簽的權(quán)重，若它的值越大，說明參考標(biāo)簽與標(biāo)簽LTi的實(shí)際距離越近，反之則距離越遠(yuǎn)。

3 結(jié)束語

由于RFID技術(shù)自身的優(yōu)越性，在未來，基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣泛，其研究價(jià)值和研究前景也是不可估量的。本文介紹了幾種常用的RFID室內(nèi)定位算法，包括測距室內(nèi)定位算法和非測距室內(nèi)定位算法，為今后算法的改進(jìn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]董永鋒，周艷聰，孫陸楠，曹瑩.基于RFID的虛擬參考標(biāo)簽三維室內(nèi)定位算法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2015，36（6）：1536-1539.

[2]錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2013，35（1）：215-227.

[3]Maxwell A，Lai S.Technological innovations in managing challenges of supply chain management[J].Universal Journal of Industrial and Business Management， 2013，1（2）：62-69.

[4]李程，錢松榮.射頻識別動態(tài)定位方法[J].通信學(xué)報(bào)，2013，34（4）：144-148.

[5]王晨，陳增強(qiáng).基于連續(xù)蟻群算法融合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RFID信號分布模型[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2013，43（S1）：210-214.

[6]劉晨曦，胡圣波.RFID室內(nèi)定位算法的研究與改進(jìn)[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，32（6）：90-95.

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