基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位算法研究

樊曉曦 王藝霖 江翰峰 張國平

摘要：在本研究中為深入分析并提高室內(nèi)定位系統(tǒng)的功能，在本節(jié)中設(shè)計了主動射頻識別技術(shù)，將其應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境低成本定位仿真分析，通過引入仿真算法，參考標(biāo)簽輔助定位，由于布局導(dǎo)致接收信號不同對定位電子標(biāo)簽完成距離和方向進(jìn)行預(yù)測，闡述了該系統(tǒng)的具體布局方式，針對不同方式對系統(tǒng)產(chǎn)生的定位精度開展仿真分析，結(jié)合仿真結(jié)果表明選取適合企業(yè)生產(chǎn)車間，人員定位的有效方案，利用該方案能夠顯著提高室內(nèi)定位精確度，并降低整個定位系統(tǒng)成本具有較強(qiáng)的實用價值。

關(guān)鍵字：RFID;室內(nèi)定位;算法;研究

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)目標(biāo)定位具有十分重要的作用，在本研究中針對某企業(yè)生產(chǎn)車間人員定位系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計，在日常生產(chǎn)中利用該系統(tǒng)能夠為企業(yè)提供人員考勤管理并有效實現(xiàn)生產(chǎn)指揮，一旦發(fā)現(xiàn)安全事故時，能夠及時為搶險救災(zāi)提供保障，在室內(nèi)環(huán)境下信息攜帶功能應(yīng)用最廣，傳輸可靠射頻識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)定位系統(tǒng)是通過標(biāo)簽對物品的唯一識別性能，通過讀卡器接收的電子標(biāo)簽信號來獲得具體的定位信息。目前針對室內(nèi)定位控系統(tǒng)其定位誤差通常在1.2米左右的范圍，其中射頻識別技術(shù)的定位誤差可達(dá)到一米以內(nèi)，這種射頻識別系統(tǒng)具有良好的可拓展性，適用于處理復(fù)雜環(huán)境，但該系統(tǒng)也會面臨硬件設(shè)備成本高，耗時較長，定位精度很容易受到標(biāo)簽密度分布和形狀的影響，因此對其使用范圍受到一定程度約束。基于目前現(xiàn)有室內(nèi)定位算法的不足之處的研究，提出了接受信號強(qiáng)度室內(nèi)定位算法，利用多屏讀卡器和轉(zhuǎn)發(fā)讀卡器指令標(biāo)簽信號進(jìn)行定位，相比傳統(tǒng)的定位算法來說這種算法所使用的讀寫器較少，而且標(biāo)簽較少，能夠提高定位精度，降低企業(yè)的運營成本以及降低系統(tǒng)現(xiàn)場布局難度，通過組合方式擴(kuò)大定位區(qū)域，能夠彌補傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的不足之處。

1定位方法分析

常見的定位方法包括基于信號到達(dá)角定位，接受信號強(qiáng)度定位，信號到達(dá)時間定位等，由于室內(nèi)環(huán)境被視距傳輸，多徑傳輸效應(yīng)的存在，導(dǎo)致信號到達(dá)接收端存在一定程度的時延和不同入射角。信號到達(dá)時間和信號到達(dá)角這兩種定位方式在室內(nèi)空間存在不可預(yù)測誤差和高精度時鐘、硬件設(shè)備成本較高等問題，相比信號強(qiáng)度定位方法檢測設(shè)備比較簡單，通過多次測量平均值來提高最終信號強(qiáng)度檢測的精確度，以降低遮蔽和多徑效應(yīng)的不良影響，也是目前室內(nèi)空間定位的主要研究方向，因此在本研究中采用基于信號強(qiáng)度這種方法進(jìn)行定位系統(tǒng)的研究。

2構(gòu)建系統(tǒng)模型

定位系統(tǒng)在布局上需要引入?yún)⒖键c，即使用參考標(biāo)簽完成輔助定位，這些標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)讀卡器信號的功能，結(jié)合布局情況和信號接收強(qiáng)度，對電子標(biāo)簽完成位置估計，整個定位系統(tǒng)的構(gòu)建包括讀卡器，參考標(biāo)簽，待定位標(biāo)簽。具體來看讀卡器可以使用多屏讀卡器用于發(fā)送不同強(qiáng)度的射頻信號，最大信號強(qiáng)度為fullpower，最遠(yuǎn)距離為n米，指定參考標(biāo)簽并完成標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)動作，參考標(biāo)簽的位置是固定的，其功率是sREFtgPw可傳輸距離最高為m米，能夠具備讀卡器傳輸指令轉(zhuǎn)發(fā)的功能。待定位標(biāo)簽其功率為tagpw可傳輸距離為n米，具體的系統(tǒng)布局如下所示，分別存在三、四、六個參考標(biāo)簽數(shù)目。

在平面中間放置讀卡器，讀卡器和參考坐標(biāo)的具體位置信息是一致的，在距離一層讀卡器n米位置均勻分布參考標(biāo)簽，參考標(biāo)簽的數(shù)目可以是三，四，六個等，可以假設(shè)n個待測定標(biāo)簽位于半徑為n的區(qū)域內(nèi)。

收集定位系統(tǒng)的信息.在信息收集過程中具體流程如下：第一需要以最大功率由讀卡器對待定位標(biāo)簽，參考標(biāo)簽進(jìn)行信號的發(fā)射，并準(zhǔn)確記錄被識別的定位標(biāo)簽;第2步參考標(biāo)簽按照順序轉(zhuǎn)發(fā)讀卡器的信號指令，并準(zhǔn)確記錄每個參考標(biāo)簽信號被哪些在定位標(biāo)簽所接收;第3步需要改變讀卡器信號傳輸?shù)墓β蕼?zhǔn)確定位哪些已經(jīng)被識別的定位標(biāo)簽;第4步重復(fù)上述步驟。

3具體定位算法的實現(xiàn)分析

可以通過兩種信號確定在定位標(biāo)簽的位置，包括位于參考標(biāo)簽的傳輸范圍內(nèi)，以及能夠被讀卡器發(fā)送的輔助信號識別，由于在定位系統(tǒng)中參考標(biāo)簽的位置是固定的，由讀卡器所發(fā)送的輔助信號功率是根據(jù)環(huán)境不斷變化的，因此在本研究中算法可以根據(jù)參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的位置進(jìn)行細(xì)化。假設(shè)讀卡器發(fā)送輔助信號功率分別為power a和b，則power可以表示讀卡器發(fā)送功率power信號強(qiáng)度時能夠達(dá)到的最遠(yuǎn)距離，且power a低于power b且小于等于fullpower。在定位標(biāo)簽位于0個參考標(biāo)簽范圍內(nèi)，結(jié)合讀卡器所讀取的待定的標(biāo)簽信號強(qiáng)度，進(jìn)而判斷該位置的遠(yuǎn)近，但在信號獲取中無明顯的方向信息，且在這種情況下需要待定位標(biāo)簽位置及讀卡器位置存在下列公式，

該公式中（Reader-X，Reader-Y）表示處于平面中間的讀卡器坐標(biāo)。

如果待定位標(biāo)簽有一個位于參考標(biāo)簽范圍內(nèi)，且待定位標(biāo)簽位于讀卡器和窗口標(biāo)簽的連線位置與參考系的區(qū)域，需要結(jié)合信號功率強(qiáng)度進(jìn)行計算。綁定該定位標(biāo)簽在讀卡器發(fā)送的輔助信號a和b之間，那么待定位標(biāo)簽的位置可以用下列公式表示

當(dāng)待定位標(biāo)簽位于power a的范圍內(nèi)，那么最終帶定位標(biāo)簽的位置信號可以用下列公式表示

最終帶定位標(biāo)簽的方程如下

如果待定為標(biāo)簽在兩個參考標(biāo)簽的范圍內(nèi)，待定位標(biāo)簽在讀卡器和兩個參考標(biāo)簽連線位置的垂線直線上，且與讀卡器距離為dis。當(dāng)定義標(biāo)簽位于a和b輔助信號范圍內(nèi)，則與讀卡器的距離如下

當(dāng)待定位標(biāo)簽位于a輔助信號范圍內(nèi)，那么其與讀卡器之間的距離可以用下列公式表示

通過上述公式能夠計算待定位標(biāo)簽的位置存在兩個目標(biāo)解，其距離參考標(biāo)簽較近的可作為最終真值。

如果待定位標(biāo)簽位于三個以上參考標(biāo)簽范圍內(nèi)，那么待定位標(biāo)簽位于上述參考標(biāo)簽終點，且與讀卡器在一條直線上，首先需要求解參考標(biāo)簽形成的中點位置，將該點作為sreltags用于表示參考標(biāo)簽的數(shù)目，該點具體的坐標(biāo)方程如下

當(dāng)待定位標(biāo)簽位于a、b輔助信號之間時，那么該待定位標(biāo)簽的位置公示如下，

當(dāng)待定位標(biāo)簽位于a輔助信號的范圍內(nèi)，則待定位標(biāo)簽方程如下

最終參考標(biāo)簽估測坐標(biāo)方程如下

綜合上述情況待第2個待定位標(biāo)簽存在的坐標(biāo)位置誤差如下

在上述公式中（RealTagi-X，RealTagi-Y）表示第i個待定位標(biāo)簽的真實距離，其表示第i個待定位標(biāo)簽計算距離，n是指待定位標(biāo)簽的數(shù)目

4仿真分析

在具體實驗過程中，假設(shè)讀卡器能夠識別的圓形區(qū)域中任取400個點，作為樣點和待定位標(biāo)簽的真實坐標(biāo)，具體的模型布局如下所示：在仿真過程中設(shè)置參數(shù)假設(shè)讀卡器和參考標(biāo)簽距離為5米，參考標(biāo)簽最大傳輸功率為18.77dbm，讀卡器發(fā)送兩層輔助功率時，第1層功率為18.77dbm，第2層為11.555dbm，當(dāng)讀卡器發(fā)送第3層輔助功率時第1層功率為18.77dbm，第2層為14.54dbm，第3層為7.32dbm，功率和距離等具體關(guān)系如下公式所示，

在上述公式中距離可用D表示，單位為米，距離地和傳輸功率關(guān)系可以用DBTodIstance表示其單位為dbm，結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)變化能夠?qū)ζ骄ㄎ徽`差分析，找到更高的精度。

在分析輔助功率對整個系統(tǒng)定位誤差產(chǎn)生的影響時，當(dāng)讀卡器發(fā)送2層輔助功率時，由于第1層輔助信號是不變的，需要改變第2種信號功率，實際能夠處于0～18.77.5之間，當(dāng)讀卡器數(shù)目變化時，進(jìn)而會改變讀卡器第2層輔助功率對誤差產(chǎn)生的影響。根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，給定義參考標(biāo)簽數(shù)目之后定位模型誤差會縮小，第2層輔助信號功率逐漸發(fā)生變化，當(dāng)輔助功率在10 dbm時平均誤差最小，而當(dāng)讀卡器達(dá)到第3層輔助功率時，第1、第2層信號功率是不變的，逐漸改變第3層的信號功率使其能夠在0～14.54.5之間，分析對系統(tǒng)平均誤差的影響，第1，第3層信號功率不變，改變第2層輔助信號功率，使其能夠在7.32和18.77dbm之間進(jìn)行變化，分析對其對于性統(tǒng)誤差產(chǎn)生的影響。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，逐漸改變讀卡器發(fā)送輔助工具信號強(qiáng)度對平均誤差會產(chǎn)生影響，當(dāng)?shù)?層幅度信號功率處于14dbm時，其最終產(chǎn)生對系統(tǒng)產(chǎn)生的平均誤差較小，讓第3層信號強(qiáng)度在8dem左右時，此時對于系統(tǒng)平均誤差產(chǎn)生的影響是最小的。通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)讀卡器輔助功率由第2直接升到第3層時，此時模型對系統(tǒng)產(chǎn)生的平均誤差有一定程度影響，但如果僅增加輔助功率層數(shù)，則無法減少定位誤差，但同時設(shè)置較多的輔助功率層數(shù)時也會很難計算坐標(biāo)位置，且整個處理過程中難度較高。

分析參考標(biāo)簽的數(shù)目對系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的影響，通過模型結(jié)構(gòu)我們可以發(fā)現(xiàn)該模型誤差和使用參考標(biāo)簽數(shù)目是呈現(xiàn)反比例關(guān)系的，當(dāng)參考標(biāo)簽數(shù)目由3個逐漸增加到4個，會降低對系統(tǒng)平均誤差的影響，而當(dāng)參考標(biāo)簽的數(shù)目由4個就是增加到6個，會使對系統(tǒng)平均誤差的變化逐漸減慢。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，如果僅增加參考編輯數(shù)目時，對于系統(tǒng)定位精確度的變化較小影響較小，而如果設(shè)置較多的參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)目是會增加計算難度，同時對于實時定位處理來說也是不利的。

參考標(biāo)簽的距離對系統(tǒng)產(chǎn)生平均誤差的影響，由于系統(tǒng)布局和讀卡器發(fā)送兩層輔助信號的功率是固定的，在整個系統(tǒng)中使用4個參考標(biāo)簽，其最大承受功率在10～22.5之間，最大傳輸范圍也會發(fā)生變化。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)讀卡器和參考標(biāo)簽的距離為5米時，此時在18dbm的范圍內(nèi)，其產(chǎn)生的平均誤差較小，當(dāng)讀卡器和參考標(biāo)簽的距離為4米時，在16 dbm時讀卡器產(chǎn)生的平均誤差最小，參考標(biāo)簽最大傳輸功率對整個系統(tǒng)平均誤差有顯著影響，當(dāng)讀卡器和參考標(biāo)簽的距離最小時，最終平均誤差達(dá)到最小所需的功率也是比較小的。

參考標(biāo)簽的具體位置對于平均誤差產(chǎn)生的影響，結(jié)合由于讀卡器發(fā)送兩層輔助信號位置和系統(tǒng)布局形式是固定的設(shè)置，4個參考標(biāo)簽數(shù)目，逐漸改變參考標(biāo)簽和讀卡器之間的距離，分析這種情況下對于平均誤差產(chǎn)生的影響，結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)參考標(biāo)簽和讀卡器的距離在1-9米之間進(jìn)行變化時，其最終定位系統(tǒng)平均誤差也會逐漸發(fā)生變化，但通過仿真發(fā)現(xiàn)兩者之間的距離并不是越小越好，而在5米范圍內(nèi)此時能夠是平均誤差達(dá)到最小值。

擴(kuò)大算法的范圍分析。針對上述構(gòu)建的模型定位系統(tǒng)面積越小，在實際使用過程中是難以存在的，為提高系統(tǒng)的應(yīng)用性，可以在使用較小資源下獲得較高精確度，增加系統(tǒng)覆蓋面積，可以提高參考標(biāo)簽和讀卡器傳輸工具，并將參考標(biāo)簽和讀卡器的距離增加。比如當(dāng)讀卡器發(fā)送2層輔助信號功率固定時，相對應(yīng)的讀卡器和參考標(biāo)簽傳輸距離范圍對整個系統(tǒng)平均誤差產(chǎn)生的影響，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩者之間傳輸距離較大時，也會相應(yīng)的增加系統(tǒng)平均誤差。為解決這種問題，可以采用細(xì)胞組合的方式，由一個讀卡器配備多個參考標(biāo)簽作為基本單元，該基本單元布局可以進(jìn)行組合，進(jìn)而擴(kuò)大整體的覆蓋范圍，采用這種細(xì)胞組合方法可以提高系統(tǒng)的定位精確度，減少所使用的參考標(biāo)簽數(shù)目，適用于大范圍的定位。

小結(jié)

在本研究中設(shè)計了主動射頻識別技術(shù)的低成本定位仿真算法，利用該方法能夠提高室內(nèi)定位系統(tǒng)的性能。

參考文獻(xiàn)

[1]王小輝， 田磊. 基于RFID技術(shù)的三維定位算法研究[J]. 電子設(shè)計工程， 2017， 25（06）：136-139.

[2]尹強(qiáng). 基于RSSI的RFID室內(nèi)定位方法研究[D].? 2017.

作者簡介：

1.樊曉曦，男，漢族，中國石油大學(xué)（華東），計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院本科在讀

2. 王藝霖 男 漢族 1999年3月 山東濰坊人 本科學(xué)歷 中國石油大學(xué)華東在校生

3. 江翰鋒，男，漢族，1999年2月，河南新鄉(xiāng)人。本科學(xué)歷 中國石油大學(xué)華東在校生

4.通訊作者為 張國平 ，張國平，1992年石油大學(xué)（華東）計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)留校任教，1998年晉升為講師，2001年石油大學(xué)（華東）計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)研究生畢業(yè)，2003晉升為副教授。工作期間主要參加計算機(jī)專業(yè)的教學(xué)和科研工作，先后主講了《操作系統(tǒng)原理》，《數(shù)據(jù)庫原理》，《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計——Java語言》，《Web數(shù)據(jù)庫》，《Unix系統(tǒng)環(huán)境》，《軟件工程》，《面向?qū)ο蠓椒ā?，《UML語言》，《軟件設(shè)計實例分析》等多門計算機(jī)本科、研究生課程?，F(xiàn)從事的主要研究方向有：信息系統(tǒng)與信息集成技術(shù)、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)網(wǎng)格。[1]