基于無線網(wǎng)絡的RFID技術定位技術

　　隨著無線通信的快速發(fā)展，由此引起的關于室內(nèi)定位的無線網(wǎng)絡和RFID技術的結合也越來越受關注。人們對物品、人員位置的需求也越來越強烈。在室外的定位，如熟知的GPS定位已經(jīng)做到讓很多人都滿意的程度，但是一旦進入到室內(nèi)，由于建筑物的阻擋以及多徑效應，GPS在室內(nèi)的定位的效果大打折扣，所以室內(nèi)定位的研究成為定位后續(xù)的研究重點。 

　　傳統(tǒng)的標簽定位的距離有缺陷，限制了其廣泛的應用。所以提出了RFID技術和無線網(wǎng)絡結合，擴大其定位的范圍。 

　　無線Wi-Fi在一個免費的2.4GHz頻段，有很高的數(shù)據(jù)傳輸速度。所以選擇基于Wi-Fi網(wǎng)絡通信的定位標簽。 

　　Wi-Fi網(wǎng)絡有如下優(yōu)勢：Wi-Fi的工作頻段在2.4GHz，而且處于免費頻段，對用戶來說不需要額外的費用；Wi-Fi的傳輸距離可以達到100m，可以覆蓋整個大樓；Wi-Fi的傳輸速率很高，可達到54 Mbps.影響定位的精確度不僅僅是關于定位技術的選擇，同時定位算法的選擇也會影響其定位精度。 

　　常見的室內(nèi)定位的算法主要分為兩類：基于測距技術的定位算法和距離無關的算法?；跍y距技術的算法一般是通過節(jié)點之間的距離或者角度來計算出未知節(jié)點的位置，實際運用中常見的有：基于接收信號強度指示算法（RSSI）、到達角度算法（AOA）、到達時間算法（TOA）等。距離無關的算法有：質心法、APIT算法、凸規(guī)劃算法等。這些算法都是利用節(jié)點之間的鄰近關系實現(xiàn)定位的。 

　　一般來說，基于測距技術的算法比無需測距的精度要高。本文采用基于無線網(wǎng)絡的RFID技術，并在此基礎上提出一種算法，實現(xiàn)誤差范圍小的定位系統(tǒng)。 

1系統(tǒng)的硬件結構 

　　射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）俗稱電子標簽。RFID是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器（或閱讀器）和很多應答器（或標簽）組成。 

　　定位系統(tǒng)的硬件包括：閱讀器、電子標簽和無線Wi-Fi模塊。 

　　閱讀器是用于讀取/寫入標簽信息的設備。 

　　電子標簽分為有源和無源兩類。有源技術電子標簽內(nèi)部有電池，它的壽命一般比無源的長。在電池更換前一直通過設定頻段向外發(fā)送信息。本文所采用的有源技術電子標簽具有長時間的壽命。 

　　無線Wi-Fi模塊主要是用于電子標簽、閱讀器以及AP（用于接收標簽的發(fā)射信號）之間的通信。 

　　RFID定位可用于倉庫管理、公司人員、物品以及醫(yī)院病人的準確定位。但是由于距離限制了其發(fā)展，所以把無線Wi-Fi技術和RFID技術結合起來，進一步地提高定位的范圍和精度。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。 

2系統(tǒng)軟件及定位算法 

　　2.1基于信號強度算法 

　　傳統(tǒng)的信號傳播容易受到折射、反射、繞射、衍射等影響，接收到的信號強度是各種途徑傳播來的信號的疊加。所以有時候信號強度增大，有時候又減小。經(jīng)過大量的實踐，發(fā)現(xiàn)接收信號強度服從log-normal分布。通過信號在傳播中的衰減來估計節(jié)點之間的距離，根據(jù)信道模型求解接收到待定位置的信號場強： 

　　式中：n為路徑損耗指數(shù)，與周圍的環(huán)境有關；XΣ是標準差為Σ的正態(tài)隨機變量；d0是參考距離，在室內(nèi)環(huán)境中通常取1 m；PL（d0）為參考位置的信號強度。 

　　假設有n個AP，m個參考標簽，則AP點接收到的待定標簽的強度量P=（AP1，AP2，…，APn），采集到的第t個參考標簽的強度矢量為St=（St1，St2，…，Stn），則待定標簽和參考標簽St之間的歐氏距離為： 

　　基于信號強度算法代表是LANDMARC算法。該算法主要通過比較不同Et來尋找與待定標簽位置最近的參考標簽。當由K個鄰近的參考標簽來確定一個待測標簽的時候，我們稱之為“K-最鄰近算法”，待定標簽坐標是（x，y）： 

　　其中的Wi和（xi，yi）分別是第i個鄰居參考標簽的權重因子和坐標位置。根據(jù)經(jīng)驗： 

　　權重越大的，E值越小。LANDMARC箅法雖然能夠處理比較復雜的環(huán)境，但是在一些封閉的環(huán)境中可能會出現(xiàn)多徑效應，導致定位精度不高。又有研究者對LANDM ARC算法提出了改進：把不同的閱讀器中收獲到的標簽的RSSI值加入到一個集合，然后求出集合中頻率最高的標簽作為最近距離的標簽，然后再使用經(jīng)驗公式求出待測標簽的坐標位置。這樣可以獲得更準確的精度。 

　　2.2三邊定位算法 

　　三邊定位法：分別以已知位置的3個AP為圓心，以各個到待測標簽的距離最近參考標簽的距離為半徑作圓。所得的3個圓的交點為D.三角形算法示意圖如圖2所示。 

　　設位置節(jié)點D（x，y），已知A、B、C三點的坐標為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）。它們到D的距離分別是d1、d2、d3.則D的位置可以通過下列方程中的任意兩個進行求解。 

　　但是在實際應用中，由于測量誤差的存在，三個圓交于一點的情況很難存在。而這是經(jīng)常的事情，這會導致方程無解，無法定位出待測目標的位置。

　　2.3本文采用的算法

　　本方案中，我們采用的定位算法是基于接收信號強度的算法（即LANDMARC算法），并在LANDMARC算法的后面利用三邊定位算法，使其更準確。
實驗前在某公司大樓的走道和三間房內(nèi)各安置每隔3 m固定一個電子標簽（參考標簽），在該層樓的東南兩北角各放置一個AP.做好上位機與下位機的無線通信（軟件程序的服務器和客戶端的連接）。

　　實驗進行時，當待測標簽進入到AP（4個）的范圍內(nèi)，開始接收到待測標簽發(fā)出的信號場強，并傳入上位機。同時也接收各個參考標簽在各個AP的信號場強，并傳入上位機。

　　定位算法則把待測標簽在4個AP（AP1，AP2，AP3，AP4）上的場強建立成一個場強矢量，同時參考標簽也建立成場強矢量。通過LANDMARC算法即通過比較待測標簽場強矢量與參考標簽場強矢量的歐氏距離，找出3個歐氏距離最小的參考標簽，并得知3個參考標簽的具體位置（在實驗前期，參考標簽放置時已經(jīng)有記錄）。對于3個參考點，不用再根據(jù)信號的強度來決定其半徑，而是3個以參考點為圓心，以最近參考標簽之間的距離（以確定每隔幾米放置一個參考標簽）的3/4長度為半徑做3個圓，這樣3個圓兩兩相交的可能性會增加。

　　由于3個圓很難在同一個點相交，所以對于3個圓之間的關系有3種：

　　◆3個圓兩兩相交，并且3個圓有公共區(qū)域；

　　◆3個網(wǎng)兩兩相交，但沒有公共區(qū)域；

　　◆3個圓不相交。

　　具體關系如下：

　?、佼?個圓有公共區(qū)域時，則公共區(qū)域必然有3個交點，以3個交點作三角形，則待測標簽的坐標即是三角形內(nèi)心坐標。

　?、诋攦蓛上嘟粺o公共區(qū)域時，必然有兩兩公共區(qū)域。取兩圓相交區(qū)域的兩個交點的連線的中點，然后以這3個中點做三角形，其內(nèi)心就是待測標簽內(nèi)心坐標。

　?、?個圓不相交時舍棄，接受下一組最近3個參考標簽，若3次還沒有找到相交情況，即用3個參考標簽做的位置做三角形，其內(nèi)心就是待測標簽的位置。

　　本算法的優(yōu)勢為在原來LANDMARC算法的定位精度上，再進行三角定位，進一步提高定位精度。同時，以參考標簽之間的距離來進行進一步的三角定位，可以減少額外的計算，并且可以減少由于參考標簽場強的變化帶來的重復測量。

總結

　　本文主要討論了基于信號強度算法和基于非測距的三邊算法，同時對LANDMARC算法進行了進一步的改進。由相關實驗結果得出：該算法可以達到定位精度在1.5 m左右的誤差，該方案適合廣泛運用。