哈卡米，徐邦振，吳哲夫

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023)

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一種改進(jìn)的室內(nèi)物品RFID定位技術(shù)*

哈卡米，徐邦振，吳哲夫

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023)

本文介紹了可應(yīng)用于室內(nèi)物品定位的改進(jìn)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間，提高了室內(nèi)物品的定位精度。

RFID室內(nèi)定位；LANDMARC定位系統(tǒng)；標(biāo)簽分類；參考誤差

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，并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便[1]。

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)[2]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RF閱讀器、49個參考標(biāo)簽和9個待定位標(biāo)簽。

圖1 LANDMARC 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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RF閱讀器，m個參考標(biāo)簽，u個待跟蹤標(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，Ri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)[3]為：

(1)

對于m個參考標(biāo)簽，跟蹤標(biāo)簽p的歐式距離矢量為：

(2)

通過比較D中各分量的值，找出跟蹤標(biāo)簽p的k個最近鄰居，稱這種方法為k-最近鄰算法[4]。其他u-1跟蹤標(biāo)簽用同樣的方法找出k個最近鄰居。跟蹤標(biāo)簽坐標(biāo)(x,y)可以按下式計(jì)算：

(3)

其中,wi是第i個最近參考標(biāo)簽的加權(quán)系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)給出其計(jì)算公式：

(4)

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)域分為若干個小的定位子區(qū)域(SubLocationArea)。每個子區(qū)域由1個主參考標(biāo)簽(PrimaryReferenceTag)圖2中灰色圓點(diǎn)和8個相鄰的次參考標(biāo)簽(SecondaryReferenceTag,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。

圖2 改進(jìn)的LANDMARC

算法具體定位過程可以分為如下4個步驟：

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

圖3 進(jìn)一步細(xì)化區(qū)域的參考標(biāo)簽布局

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個次參考標(biāo)簽，計(jì)算8個次參考標(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，同時這個標(biāo)簽必須是ST1的兩個相鄰的標(biāo)簽之一。這樣確定了1個主參考標(biāo)簽和2個相鄰的次參考標(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，這個矩形區(qū)域由1個主參考標(biāo)簽PTk和3個相鄰的次參考標(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：

(5)

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1m，因此可以近似認(rèn)為兩者定位誤差向量相同。可以用它修正式(5)計(jì)算得到的跟蹤標(biāo)簽坐標(biāo)。

(6)

由式(6)變換得到修正后的跟蹤標(biāo)簽計(jì)算坐標(biāo)：

(7)

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[5]和M250閱讀器[6]。M100標(biāo)簽實(shí)物如圖4所示。

圖4 RF Code M100標(biāo)簽

圖5 RF Code M250閱讀器

M100屬于有源標(biāo)簽，其典型傳輸范圍為90 m，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，可以同時監(jiān)視1400個信標(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)[7-8]，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。

圖6 RF Code M250閱讀器產(chǎn)品接口

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。

圖7 基于.NET Framework 4.0的定位管理平臺

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。

圖8 兩種算法誤差比較

改進(jìn)算法利用參考誤差修正跟蹤標(biāo)簽的計(jì)算

An Improved Indoor Item Localization Method Based on RFID

Alhakami Wail, Xu Bangzhen, Wu Zhefu

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

This article describes the LANDMARC location system based on RF location technology. The algorithm classifies an RFID tag which based on the original algorithm, then it introduces the concept of the reference error to improve positioning accuracy. Improved algorithm combines with RF code hardware company to formats positioning system. Experimental results show that the improved algorithm can reduce the positioning time and improve the positioning accuracy.

RFID indoor positioning; LANDMARC positioning system; tag classification; reference error

浙江省自然科學(xué)基金LY13F010011資助。

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