基于RSSI的無源標(biāo)簽室內(nèi)定位方法

張 寶，王 杰，楊 濤

（1.四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

1 引言

RFID 技術(shù)性價(jià)比高，維護(hù)費(fèi)用低、安全性高，其應(yīng)用可涉及交通物流、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、電子商務(wù)、智能制造和倉儲(chǔ)管理等諸多方面[1-2]。RFID系統(tǒng)工作不受環(huán)境干擾[3]，能配合無人機(jī)高速且同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽[4]，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行大力研究，提出許多新的方法和改進(jìn)算法。Wada，等[5]提出了一種新的通信距離識(shí)別方案，RFID閱讀器通過讀取標(biāo)簽來識(shí)別通信范圍，利用通信范圍的邊緣來估計(jì)標(biāo)簽的方向。Manzoor，等[6]提出一種利用多標(biāo)簽定位未知標(biāo)簽的算法，與傳統(tǒng)的LANDMARC算法不同，該算法可用于三維標(biāo)簽定位。Martin，等[7]在分析反向散射應(yīng)答器信號(hào)的基礎(chǔ)上，提出了一種無源超高頻RFID標(biāo)簽的二維定位系統(tǒng)，結(jié)合固有相位和幅值的估計(jì)，引入最大似然位置估計(jì)器，從而較精確地實(shí)現(xiàn)了二位標(biāo)簽系統(tǒng)的定位。JI Xiu，等[8]提出一種利用相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)校正RSSI測(cè)距的N-APIT 算法，提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的覆蓋率，通過仿真證實(shí)該算法在減少測(cè)距誤差和節(jié)點(diǎn)覆蓋方面具有顯著的優(yōu)越性。

2 基于RSSI的無源RFID定位算法

本文采用基于RSSI的定位算法設(shè)計(jì)室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)，該算法實(shí)現(xiàn)成本低，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證容易，無需網(wǎng)絡(luò)和額外設(shè)備，僅需閱讀器正常工作即可實(shí)現(xiàn)定位，在惡劣環(huán)境下仍然適用。

基于RSSI 的室內(nèi)定位算法，通過測(cè)量試驗(yàn)環(huán)境中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI值，利用信號(hào)傳播衰減模型，計(jì)算信息傳播過程中由路徑損耗引起的損失值，進(jìn)而得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與信號(hào)發(fā)出點(diǎn)間的直線距離，通過選擇合適的算法，得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。在表征RF 信號(hào)的衰減程度與傳播距離兩者間關(guān)聯(lián)時(shí)，常用忽略偶然誤差ζ的對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型[9]，其公式為

式中：P—實(shí)測(cè)RSSI 值，dBm；P0—參考 RSSI 值；n—路徑損耗指數(shù)；d—閱讀器與標(biāo)簽的間距，m；d0—參考距離，通常取值為1m。

本文選用的室內(nèi)定位方法具體做法是，在室內(nèi)選擇一處無遮擋無干擾的區(qū)域，并按規(guī)則在該區(qū)域內(nèi)布設(shè)若干無源標(biāo)簽，相鄰標(biāo)簽的前后左右間距相同，按標(biāo)簽布置方式建立坐標(biāo)系，記錄參考標(biāo)簽的坐標(biāo)值。當(dāng)RFID讀取系統(tǒng)電源接通后，由實(shí)驗(yàn)人員通過Android開發(fā)板控制閱讀器模塊工作狀態(tài)，人為設(shè)置好閱讀器功率參數(shù)后，下達(dá)閱讀器讀取命令，由天線發(fā)出RF 信號(hào)，掃描并識(shí)別周圍區(qū)域中的無源標(biāo)簽。當(dāng)閱讀器讀取到標(biāo)簽信號(hào)后，將獲取并在屏幕上顯示該標(biāo)簽的EPC號(hào)和對(duì)應(yīng)的RSSI值。利用路徑損耗模型，便可解算出兩者間距，再由三邊測(cè)量法構(gòu)建方程組，獲取閱讀器的坐標(biāo)信息。

圖1 三邊測(cè)量法定位示意圖

三邊測(cè)量法定位如圖1所示，三邊測(cè)量法[10]定位原理：假設(shè)待定目標(biāo)坐標(biāo)為(x,y)，利用已知坐標(biāo)A 點(diǎn)(x1,y1)、B 點(diǎn)(x2,y2)、C 點(diǎn)(x3,y3)和 AO 距離 d1、BO 距離 d2、CO 距離d3，建立公式(2)的方程組用于求解待定目標(biāo)的坐標(biāo)值。

由公式(2)通過計(jì)算可得到待定目標(biāo)的坐標(biāo)(x,y)為：

即：

其中

3 室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 定位流程設(shè)計(jì)

本文采用如圖2 所示的定位流程，先進(jìn)行RFID硬件系統(tǒng)選型，通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)求取路徑損耗指數(shù)n和參考信號(hào)強(qiáng)度P0，再根據(jù)本文選用方法進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。

圖2 RFID室內(nèi)定位流程

3.2 硬件選型結(jié)果

（1）UHF-RFID 閱讀器。RFID 閱讀器選型結(jié)果見表1。

表1 閱讀器選型結(jié)果

（2）UHF 無源標(biāo)簽。無源電子標(biāo)簽采用抗金屬PCB材質(zhì)，可不受環(huán)境金屬物質(zhì)干擾，選型結(jié)果見表2。

表2 無源標(biāo)簽選型結(jié)果

4 室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)研究

4.1 模型參數(shù)解算

利用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型定位，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體環(huán)境進(jìn)行測(cè)定并解算n 和P0。將d0取值為1m，令f(x)=P，x=-10lgd，代入式（1），則得f(x)=P0+nx，通過測(cè)量多組數(shù)據(jù)，用最小二乘估計(jì)法擬合直線，獲取模型參數(shù)值。

由于標(biāo)簽附著物材質(zhì)不同，不同材質(zhì)損耗系數(shù)差異很大，實(shí)驗(yàn)時(shí)，要保證附著物材質(zhì)一致，故將所有標(biāo)簽附著在相同的地板上，減小定位誤差。以圖3所示的方式，首先標(biāo)記閱讀器的位置，以0.5m的距離為間隔標(biāo)記6 個(gè)點(diǎn)，將同種型號(hào)的10 塊標(biāo)簽依次放在各點(diǎn)測(cè)量5 次，記錄標(biāo)簽的RSSI 值并求取各點(diǎn)處的平均值。觀測(cè)時(shí)，閱讀器和標(biāo)簽離地高度為0.5m，閱讀器天線增益設(shè)置為26，保持天線方向與標(biāo)簽垂直，標(biāo)簽無遮蓋。

圖3 模型參數(shù)解算實(shí)驗(yàn)

表3 所示為各點(diǎn)處RSSI 值的平均值，f(x)即為信號(hào)強(qiáng)度值。利用MATLAB將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以最小二乘法擬合直線，如圖4 所示，求解出模型參數(shù)中n 為1.77，P0為-64.53。

表3 x與P0的測(cè)量值

4.2 室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)研究

圖4 最小二乘法擬合直線求解模型參數(shù)

將標(biāo)簽按照?qǐng)D5所示的陣型排布，參考標(biāo)簽之間兩兩間隔0.5m，分別記錄標(biāo)簽1～16的坐標(biāo)信息。將閱讀器和天線離地高度也設(shè)置為0.5m，天線的正面與地面平行，確保天線以最大范圍工作。將閱讀器放置在四周布滿標(biāo)簽的不同區(qū)域，重復(fù)若干次實(shí)驗(yàn)，閱讀器每讀取一次標(biāo)簽信息，實(shí)時(shí)記錄標(biāo)簽EPC 信息和RSSI值，并測(cè)量此時(shí)閱讀器的坐標(biāo)。

圖5 標(biāo)簽布置

圖6 為本次實(shí)驗(yàn)采用的RFID 硬件系統(tǒng)，包括RFID閱讀器模塊、天線、顯示屏、Android開發(fā)板。圖7為定位系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)圖，以4×4的方式布設(shè)無源標(biāo)簽。

表4中列出部分實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)閱讀器進(jìn)入布滿RFID標(biāo)簽的區(qū)域時(shí)，測(cè)量并記錄讀取標(biāo)簽時(shí)閱讀器的真實(shí)坐標(biāo)，由參考標(biāo)簽的坐標(biāo)和各標(biāo)簽至閱讀器的距離建立方程，解算出閱讀器的定位坐標(biāo)。

用MATLAB將計(jì)算出的閱讀器定位坐標(biāo)和真實(shí)坐標(biāo)繪制在圖8 中，從圖中可以清晰地看出RFID 定位存在一定誤差。首先是由于標(biāo)簽和閱讀器本身具有一定的尺寸，不能完全等效為一個(gè)點(diǎn)。由于室內(nèi)環(huán)境存在多徑效應(yīng)，且無線信號(hào)在室內(nèi)各點(diǎn)傳播情況不盡相同，所以相同的路徑損耗指數(shù)不能完全匹配各點(diǎn)的實(shí)際情況，導(dǎo)致距離擬合不準(zhǔn)確，最終影響定位精度。但坐標(biāo)的x軸和y軸誤差幾乎都在10%以內(nèi)，基本能滿足大多數(shù)室內(nèi)定位的需求。

圖6 RFID硬件系統(tǒng)

圖7 定位系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)圖

表4 部分定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文對(duì)RFID室內(nèi)定位方法進(jìn)行了研究，提出了利用單閱讀器和低成本的多無源電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位的方法。本文基于低成本易實(shí)現(xiàn)的RSSI算法展開，用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型計(jì)算出參考標(biāo)簽與閱讀器間距，從而獲取RFID 閱讀器的定位坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)區(qū)域定位，與實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，分析了定位誤差產(chǎn)生的原因。

圖8 閱讀器定位坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)