基于指紋的射頻識別標(biāo)簽定位實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn)

陳鴻龍，林 凱，閆 娜，劉 寶

（中國石油大學(xué)（華東）控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)［1-3］是指通過各種信息傳感設(shè)備實現(xiàn)物與物、物與人之間的廣泛連接，實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位和管理的一種新型網(wǎng)絡(luò)［4-6］。截至2021 年，物聯(lián)網(wǎng)的市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了1.7 萬億元，具有極高的研究價值［7］。

射頻識別（RFID）技術(shù)［8］被稱為21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一［9］，廣泛應(yīng)用于智能物流、交通管理、身份識別、倉儲管理等領(lǐng)域［10-11］。

室內(nèi)定位技術(shù)［12-13］是物聯(lián)網(wǎng)的重要研究方向，可以應(yīng)用于醫(yī)院、大型商場、工廠等多種場景。在室外，GPS定位技術(shù)以及中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)分米級定位精度；而在室內(nèi)，受建筑物之間彼此互相遮蔽、建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素限制，衛(wèi)星定位并不能取得滿意的效果。為彌補(bǔ)衛(wèi)星定位不能應(yīng)用于室內(nèi)的空缺，多種無線技術(shù)應(yīng)運而生，如WI-FI、藍(lán)牙、ZigBee、RFID等，其中RFID具有成本低、精度高、易于部署、侵入性弱等優(yōu)勢，是用于室內(nèi)定位的優(yōu)選技術(shù)。

所設(shè)計的基于指紋的RFID 標(biāo)簽定位實驗平臺分為在線和離線階段。在離線階段，建立接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）值與標(biāo)簽位置對應(yīng)關(guān)系的指紋庫；在在線階段，將采集到的標(biāo)簽位于未知位置時的接收信號強(qiáng)度指示值與指紋庫中的接收信號強(qiáng)度指示值進(jìn)行匹配，實現(xiàn)對標(biāo)簽的位置估計。該實驗平臺有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)RFID 的系統(tǒng)組成及工作原理，了解基于指紋的無源標(biāo)簽定位方法的原理和應(yīng)用。

1 基于接收信號強(qiáng)度指示值的指紋定位方法

基于指紋的定位方法無須測量目標(biāo)的距離，通過預(yù)先構(gòu)建好的指紋庫，采用諸如K近鄰算法、樸素貝葉斯算法等計算未知節(jié)點的位置［14-15］?；谥讣y的定位方法具有成本低、效率高、定位精度高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位等。所設(shè)計的基于接收信號強(qiáng)度指示值的指紋定位方法原理如圖1 所示。

圖1 基于接收信號強(qiáng)度指示值的指紋定位方法原理

一般來說，基于指紋的定位方法包括2 個階段：離線指紋庫構(gòu)建階段與在線定位階段。離線階段，在整個定位區(qū)域均勻地選取參考點（RP），參考點的位置可以通過天線測量獲得；將標(biāo)簽置于選定的參考點處，在室內(nèi)用多個接入點采集此時的信號特征信息，如接收信號強(qiáng)度指示值，將其與標(biāo)簽當(dāng)前所在參考點位置信息合并為一個指紋信息，并存放在指紋庫中；通過遍歷各個參考點的指紋信息，即可構(gòu)建整個定位區(qū)域的指紋庫。

在線階段，此時標(biāo)簽所在位置未知，同樣用多個接入點采集此時的信號特征信息，與指紋庫中參考點的信號特征信息進(jìn)行匹配，通過定位算法即可確定待測標(biāo)簽的位置。常見的定位算法有K近鄰算法與加權(quán)K近鄰算法。以接收信號強(qiáng)度指示值作為信號特征信息進(jìn)行說明，K近鄰算法通過計算待測標(biāo)簽的接收信號強(qiáng)度指示值與整個指紋庫中每一個參考點對應(yīng)的接收信號強(qiáng)度指示值之間的歐式距離，找出與待測標(biāo)簽的接收信號強(qiáng)度指示值最接近的K個參考點，歐氏距離越小，待測點與參考點的物理位置越接近。這K個參考點的位置已知，就可以用它們的中心位置作為待測標(biāo)簽的坐標(biāo)估計。

待測標(biāo)簽與參考點的接收信號強(qiáng)度指示值的歐氏距離計算式為

式中：RRSSI，j表示在第j個接入點處接收到的待測標(biāo)簽返回的接收信號強(qiáng)度指示值；rrss，ij表示存放在指紋庫中的標(biāo)簽位于第i個參考點處時第j個接入點接收到的接收信號強(qiáng)度指示值；n表示接入點的數(shù)量；di表示待測標(biāo)簽與第i個參考點的接收信號強(qiáng)度指示值的歐氏距離。被選取的K個參考點與待測標(biāo)簽的接收信號強(qiáng)度指示值的歐氏距離各不相同，它們對待測標(biāo)簽位置估計的影響也不同。加權(quán)K近鄰算法通過引入權(quán)重來計算待測標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，提高定位精度。在加權(quán)K近鄰定位過程中，同樣需要計算所有參考點與待測標(biāo)簽的信號特征信息之間的歐氏距離。選取K個與待測標(biāo)簽距離最近的參考點，然后引入歸一化的加權(quán)系數(shù)。歐氏距離越小的參考點，權(quán)重越大；歐氏距離越大的參考點，權(quán)重越小。未知節(jié)點的位置坐標(biāo)估計如下所示：

式中：（xi，yi）表示第i個參考點的坐標(biāo)；（x，y）表示待測標(biāo)簽的位置估計。

2 基于指紋的無源標(biāo)簽定位實驗平臺

一個RFID 系統(tǒng)通常由天線、閱讀器、后端服務(wù)器、電子標(biāo)簽等幾部分組成。RFID系統(tǒng)基本的工作流程如下：天線作為信號源發(fā)送無線射頻信號，無源電子標(biāo)簽接收到該信號后所產(chǎn)生的感應(yīng)電流將自身激活，然后將自身編碼等信息通過內(nèi)置天線發(fā)送出去；天線接收到該信號后將其發(fā)送給閱讀器，閱讀器對該信號解調(diào)并轉(zhuǎn)發(fā)給后端服務(wù)器，后端服務(wù)器根據(jù)需要執(zhí)行相應(yīng)的動作。如圖2 所示，本實驗平臺中用到的RFID設(shè)備有英頻杰R420 閱讀器、Laird9028 超高頻天線和英頻杰H41 電子標(biāo)簽。

圖2 無源標(biāo)簽定位實驗平臺采用的RFID設(shè)備

當(dāng)天線和電子標(biāo)簽的位置固定時，閱讀器采集的接收信號強(qiáng)度指示值比較穩(wěn)定，如圖3 所示。這表明，RFID系統(tǒng)的接收信號強(qiáng)度指示值具有較強(qiáng)的魯棒性，可以用作標(biāo)簽位置區(qū)分的信號特征信息。

圖3 天線與標(biāo)簽距離為21 cm時測得的接收信號強(qiáng)度指示值變化曲線

所提出的基于指紋的無源標(biāo)簽定位實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，該平臺包括1 個后端服務(wù)器、1 臺閱讀器、4 個天線以及1 個無源電子標(biāo)簽。

圖4 無源標(biāo)簽定位實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該實驗平臺采用基于指紋的定位方法對無源標(biāo)簽進(jìn)行定位。離線指紋庫構(gòu)建階段，將無源標(biāo)簽依次放在每個參考點上，4 個天線同時接收接收信號強(qiáng)度指示值，閱讀器將天線收集到的信息匯總后轉(zhuǎn)發(fā)給后端服務(wù)器，后端服務(wù)器將接收信號強(qiáng)度指示值與標(biāo)簽所在參考點的坐標(biāo)一同保存在指紋庫中。在線定位階段，標(biāo)簽所處位置未知，閱讀器收集此時無源標(biāo)簽反射的射頻信號接收信號強(qiáng)度指示值，后端服務(wù)器將其與指紋庫中的參考點信息進(jìn)行對比，采用K近鄰算法和加權(quán)K近鄰算法估算出當(dāng)前無源標(biāo)簽位置的坐標(biāo)。

基于指紋的無源標(biāo)簽定位實驗平臺原型系統(tǒng)如圖5 所示。4 個天線被均勻地放置在定位區(qū)域外，位置固定，無源標(biāo)簽位置信息未知。閱讀器收集此時標(biāo)簽的接收信號強(qiáng)度指示值，分別用K近鄰算法與加權(quán)K近鄰算法估計該標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。

圖5 無源標(biāo)簽定位實驗平臺現(xiàn)場部署

對該平臺的性能展開測試，在一個120 cm ×80 cm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行實驗。在定位區(qū)域內(nèi)每隔20 cm 選取一個參考點，共選取了35 個參考點。在離線階段，采集標(biāo)簽位于參考點時的接收信號強(qiáng)度指示值，構(gòu)建指紋庫。在在線階段，隨機(jī)選取8 個位置作為測試點，同樣采集標(biāo)簽放在測試點時的接收信號強(qiáng)度指示值，然后轉(zhuǎn)發(fā)給后端服務(wù)器進(jìn)行定位。該平臺得到的定位效果如圖6 所示。K近鄰算法和加權(quán)K近鄰算法的平均定位誤差分別為10.05 cm 和8.98 cm，表明加權(quán)K近鄰算法定位精度優(yōu)于K近鄰算法。

圖6 基于指紋的RFID標(biāo)簽定位實驗平臺定位測試結(jié)果

3 定位實驗平臺的教學(xué)應(yīng)用

我校自動化、測控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論2 門課程，了解與學(xué)習(xí)室內(nèi)定位技術(shù)對于2 門課程的學(xué)習(xí)具有重要意義。此外，通過實驗教學(xué)平臺開展室內(nèi)定位實驗，可幫助學(xué)生進(jìn)一步了解RFID系統(tǒng)的構(gòu)成和工作流程以及基于指紋的室內(nèi)定位方法的原理。目前，實驗室已配備創(chuàng)維特開發(fā)無線傳感網(wǎng)教學(xué)實驗系統(tǒng)CVT-IOT-S5PX，學(xué)生可在該實驗系統(tǒng)上開展基于ZigBee、WI-FI或RFID的指紋定位實驗。所設(shè)計的基于指紋定位的RFID 標(biāo)簽定位實驗平臺，能夠作為上述實驗系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。通過在該平臺上開展創(chuàng)新實驗，有助于進(jìn)一步提升學(xué)生的工程實踐和科學(xué)創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語

以提高專業(yè)課課程建設(shè)質(zhì)量為出發(fā)點，介紹了基于指紋的定位方法和RFID 系統(tǒng)的工作原理，并將兩者結(jié)合，設(shè)計了一套基于指紋的RFID 無源標(biāo)簽定位實驗平臺。實驗證明，該平臺能取得良好的室內(nèi)定位精度。該實驗平臺涵蓋了射頻通信、信號分析和處理以及定位算法等內(nèi)容，可服務(wù)于自動化、測控和智能感知工程專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論和無線傳感網(wǎng)絡(luò)2 門課程的實驗課，有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解基于RFID 定位方法的原理，進(jìn)一步加深對教學(xué)內(nèi)容的理解、鞏固和提高。