基于WiFi和RFID定位技術(shù)的電子標簽定位算法

引言

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信的快速發(fā)展，由此引起的關(guān)于室內定位的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和RFID技術(shù)的結合也越來(lái)越受關(guān)注。人們對物品、人員位置的需求也越來(lái)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(mǎn)意的程度，但是一旦進(jìn)入到室內，由于建筑物的阻擋以及多徑效應，GPS在室內的定位的效果大打折扣，所以室內定位的研究成為定位后續的研究重點(diǎn)。住公司中需要對人員和物品進(jìn)行定位的時(shí)候范圍很大。傳統的標簽定位的距離有缺陷，限制了其廣泛的應用。所以義提出了RFID技術(shù)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結合，擴大其定位的范圍。

無(wú)線(xiàn)WiFi在一個(gè)免費的2.4GHz頻段，有很高的數據傳輸速度。所以選擇基于WiFi網(wǎng)絡(luò )通信的定位標簽。WiFi網(wǎng)絡(luò )有如下優(yōu)勢：WiFi的工作頻段在2.4GHz，而且處于免費頻段，對用戶(hù)來(lái)說(shuō)不需要額外的費用;WiFi的傳輸距離可以達到100m，可以覆蓋整個(gè)大樓;WiFi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(guān)于定位技術(shù)的選擇，同時(shí)定位算法的選擇也會(huì )影響其定位精度。常見(jiàn)的室內定位的算法主要分為兩類(lèi)：基于測距技術(shù)的定位算法和距離無(wú)關(guān)的算法。基于測距技術(shù)的算法一般是通過(guò)節點(diǎn)之間的距離或者角度來(lái)計算出未知節點(diǎn)的位置，實(shí)際運用中常見(jiàn)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(shí)間算法(TOA)等。距離無(wú)關(guān)的算法有：質(zhì)心法、APIT算法、凸規劃算法等。這些算法都是利用節點(diǎn)之間的鄰近關(guān)系實(shí)現定位的。

一般來(lái)說(shuō)，基于測距技術(shù)的算法比無(wú)需測距的精度要高。本文采用基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的RFID技術(shù)，并在此基礎上提出一種算法，實(shí)現誤差范圍小的定位系統。

1系統的硬件結構

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)俗稱(chēng)電子標簽。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，識別工作無(wú)需人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標簽，操作快捷方便。RFID是一種簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)系統，只有兩個(gè)基本器件，該系統用于控制、檢測和跟蹤物體。系統由一個(gè)詢(xún)問(wèn)器(或閱讀器)和很多應答器(或標簽)組成。

定位系統的硬件包括：閱讀器、電子標簽和無(wú)線(xiàn)WiFi模塊。

閱讀器是用于讀取/寫(xiě)入標簽信息的設備。

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

無(wú)線(xiàn)WiFi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(wú)線(xiàn)WiFi技術(shù)和RFID技術(shù)結合起來(lái)，進(jìn)一步地提高定位的范圍和精度。系統硬件結構如圖1所示。

2系統軟件及定位算法

2.1基于信號強度算法

傳統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(lái)的信號的疊加。所以有時(shí)候信號強度增大，有時(shí)候又減小。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐，發(fā)現接收信號強度服從log-normal分布。通過(guò)信號在傳播中的衰減來(lái)估計節點(diǎn)之間的距離，根據信道模型求解接收到待定位置的信號場(chǎng)強：

式中：n為路徑損耗指數，與周?chē)沫h(huán)境有關(guān);Xσ是標準差為σ的正態(tài)隨機變量;d0是參考距離，在室內環(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(gè)AP，m個(gè)參考標簽，則AP點(diǎn)接收到的待定標簽的強度量P=(AP1，AP2，…，APn)，采集到的第t個(gè)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(guò)比較不同Et來(lái)尋找與待定標簽位置最近的參考標簽。當由K個(gè)鄰近的參考標簽來(lái)確定一個(gè)待測標簽的時(shí)候，我們稱(chēng)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(gè)鄰居參考標簽的權重因子和坐標位置。根據經(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(huì )出現多徑效應，導致定位精度不高。又有研究者對LANDM ARC算法提出了改進(jìn)：把不同的閱讀器中收獲到的標簽的RSSI值加入到一個(gè)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(gè)AP為圓心，以各個(gè)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(gè)圓的交點(diǎn)為D.三角形算法示意圖如圖2所示。

設位置節點(diǎn)D(x，y)，已知A、B、C三點(diǎn)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(guò)下列方程中的任意兩個(gè)進(jìn)行求解。