一種改進(jìn)的室內(nèi)物品RFID定位技術(shù)

摘要：本文介紹了可應(yīng)用于室任鍥范ㄎ壞母慕LANDMARC定位系統(tǒng)。該算法在原始算法基礎(chǔ)上對RFID標(biāo)簽進(jìn)行分類，同時(shí)引入了參考誤差的概念來提高系統(tǒng)定位精度。改進(jìn)后的算法結(jié)合RF code公司硬件設(shè)備組建定位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法減少了定位時(shí)間，提高了室任鍥返畝ㄎ瘓度。

引言

目前，用于室內(nèi)定位的技術(shù)主要有紅外線定位技術(shù)、WiFi定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)、超寬帶定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)等。其中RFID定位技術(shù)具有非視距傳播、傳輸范圍大、讀寫速度快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，相比其他定位技術(shù)，更適合用于室內(nèi)物品的定位、追蹤。

1 RFID技術(shù)簡介

RFID是一種利用射頻信號通過空間耦合(電感或電磁耦合)實(shí)現(xiàn)無接觸的信息傳輸手段，它通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，并可同時(shí)識別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。

2 LANDMARC系統(tǒng)

為了增加室內(nèi)系統(tǒng)定位精確性而不增加閱讀器數(shù)量，LANDMARC系統(tǒng)引入了位置固定的參考標(biāo)簽來輔助定位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括4個(gè)RF閱讀器、49個(gè)參考標(biāo)簽和9個(gè)待定位標(biāo)簽。

LANDMARC定位技術(shù)采用了在統(tǒng)計(jì)學(xué)上稱為“最近鄰居”的思想，選擇了k個(gè)信號強(qiáng)度值與待定位標(biāo)簽相近的參考標(biāo)簽，利用加權(quán)算法，計(jì)算待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。算法過程如下。

假設(shè)有n個(gè)RF閱讀器，m個(gè)參考標(biāo)簽，u個(gè)待跟蹤標(biāo)簽。定義跟蹤標(biāo)簽p的信號強(qiáng)度矢量為：Tp=(T1，T2，…，Ti，…，Tn)T。其中Ti表示閱讀器i感知到的跟蹤標(biāo)簽的信號強(qiáng)度，i∈(1，n)。定義參考標(biāo)簽q的信號強(qiáng)度矢量為：Rq=(R1，R2，…，Ri，…，Rn)。其中，R1表示參考標(biāo)簽i的信號強(qiáng)度。跟蹤標(biāo)簽p和參考標(biāo)簽q的歐幾里得距離(D)：為：

通過比較D中各分量的值，找出跟蹤標(biāo)簽p的k個(gè)最近鄰居，稱這種方法為k-最近鄰算法。其他u-1跟蹤標(biāo)簽用同樣的方法找出k個(gè)最近鄰居。跟蹤標(biāo)簽坐標(biāo)(x，y)可以按下式計(jì)算：

3 改進(jìn)的LANDMARC系統(tǒng)

3.1 改進(jìn)的LANDMARC系統(tǒng)算法

圖2表示算法改進(jìn)后的標(biāo)簽布局。改進(jìn)算法引入標(biāo)簽分層的概念，將定位區(qū)域分為若干個(gè)小的定位子區(qū)域(Sub Location Area)。每個(gè)子區(qū)域由1個(gè)主參考標(biāo)簽(Primary Reference Tag)圖2中灰色圓點(diǎn)和8個(gè)相鄰的次參考標(biāo)簽(Secondary Reference Tag，圖2中白色圓點(diǎn))組成。改進(jìn)算法中，分層結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際跟蹤標(biāo)簽數(shù)量作具體調(diào)整。

算法具體定位過程可以分為如下4個(gè)步驟：

①確定跟蹤標(biāo)簽所在的定位子區(qū)域。假設(shè)有p個(gè)主參考標(biāo)簽，由式(1)、(2)計(jì)算跟蹤標(biāo)簽和主參考標(biāo)簽之間的距離矢量D=(D1，D2，…，Dp)，對D中各分量排序，最小歐式距離對應(yīng)的主參考標(biāo)簽所在區(qū)域就是所求的定位子區(qū)域。

②每一個(gè)定位子區(qū)域可以進(jìn)一步分成4個(gè)定位區(qū)域，如圖3所示。

假設(shè)在式(1)中確定的主參考標(biāo)簽為PTk，選取PTk周圍相鄰的8個(gè)次參考標(biāo)簽，計(jì)算8個(gè)次參考標(biāo)簽和跟蹤標(biāo)簽之間的歐氏距離，選出距離跟蹤標(biāo)簽最近的次參考標(biāo)簽ST1。在剩余的7個(gè)次參考標(biāo)簽中選出與跟蹤標(biāo)簽次近的次參考標(biāo)簽，同時(shí)這個(gè)標(biāo)簽必須是ST1的兩個(gè)相鄰的標(biāo)簽之一。這樣確定了1個(gè)主參考標(biāo)簽和2個(gè)相鄰的次參考標(biāo)簽，也就確定跟蹤標(biāo)簽所在的矩形區(qū)域。由上述定位步驟可知，這個(gè)矩形區(qū)域由1個(gè)主參考標(biāo)簽PTk和3個(gè)相鄰的次參考標(biāo)簽(ST1、ST2、ST3)組成。

③使用k-最近鄰算法和加權(quán)算法計(jì)算跟蹤標(biāo)簽的位置。這里式(3)中k=4時(shí)：

改進(jìn)算法把參考標(biāo)簽分為主參考標(biāo)簽和次參考標(biāo)簽這兩層，逐層搜索跟蹤標(biāo)簽的最近鄰居，實(shí)現(xiàn)快速定位。

④為了進(jìn)一步減小改進(jìn)算法的定位誤差，提高定位精度，引入修正誤差向量的概念。通常情況下，跟蹤標(biāo)簽和最近鄰居距離不超過1 m，因此可以近似認(rèn)為兩者定位誤差向量相同?？梢杂盟拚?5)計(jì)算得到的跟蹤標(biāo)簽坐標(biāo)。

為了計(jì)算修正誤差，首先需要確定距離跟蹤標(biāo)簽最近的參考標(biāo)簽，稱為關(guān)鍵參考標(biāo)簽(Key Reference Tag，KT)。比較主參考標(biāo)簽PTk和3個(gè)相鄰的次參考標(biāo)簽(ST1、ST2、ST3)到跟蹤標(biāo)簽的歐式距離，選出關(guān)鍵參考標(biāo)簽。利用式(2)～(4)計(jì)算得到KT的計(jì)算坐標(biāo)(p’，q’)，已知KT的真實(shí)坐標(biāo)為(p，q)，因此可以得到KT的定位誤差向量：

3.2 改進(jìn)的LANDMARC系統(tǒng)硬件

改進(jìn)算法選擇RF Code公司的M100標(biāo)簽和M250閱讀器。M100標(biāo)簽實(shí)物如圖4所示。

M100屬于有源標(biāo)簽，其典型傳輸范圍為90m，工作頻率為433.92 MHz。M100標(biāo)簽中安裝了防拆開關(guān)，因此較適合用于物品的跟蹤。在低速狀態(tài)下，標(biāo)簽電池壽命可達(dá)5～7年之久。

M250閱讀器實(shí)物如圖5所示。M250閱讀器直接提供射頻信號強(qiáng)度值，可以同時(shí)監(jiān)視1400個(gè)信標(biāo)速率為10 s的標(biāo)簽。

M250閱讀器有多種接口形式傳輸數(shù)據(jù)，可通過USB口、有線以太網(wǎng)接口，也可使用閱讀器內(nèi)部集成的802.11b/g無線網(wǎng)卡。閱讀器支持加密連接(HTTPS和SSH)，并支持以太網(wǎng)供電(PoE)RF Code M250閱讀器產(chǎn)品接口如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)中，將M250閱讀器以太網(wǎng)接口連接到路由器的LAN口，采用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。路由器把所有標(biāo)簽的信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到后臺處理計(jì)算機(jī)上。計(jì)算機(jī)端編程實(shí)現(xiàn)RFID定位管理平臺，可通過Internet獲取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制和管理，并進(jìn)行定位參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、定位結(jié)果顯示。定位平臺基于.NET Framework 4.0，采用C#編程語言實(shí)現(xiàn)。基于.NET Framework 4.0的定位管理平臺如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)和討論

圖8展示了10次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分別應(yīng)用兩種算法得到的誤差比較圖。在第5次實(shí)驗(yàn)中，原始算法誤差為0.97 m，改進(jìn)算法誤差為0.65 m，改進(jìn)算法定位誤差減少32.7%。另外，在其余各次實(shí)驗(yàn)中，改進(jìn)算法也均有10%以上的精度提高，改進(jìn)算法的定位精度整體高于原始算法。兩種算法誤差比較如圖8所示。

改進(jìn)算法利用參考誤差修正跟蹤標(biāo)簽的計(jì)算坐標(biāo)，抵消了部分環(huán)境因素對定位精度產(chǎn)生的干擾，使得改進(jìn)算法的定位精度優(yōu)于原始算法。

結(jié)語

本文在討論RFID技術(shù)和LANDMARC算法的基礎(chǔ)上，提出了參考標(biāo)簽的分層結(jié)構(gòu)，并引入參考誤差的概念用于改進(jìn)原始算法，通過實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)算法具有更快的定位速度和更高的定位準(zhǔn)度，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)物品的定位和管理，具有一定的研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。