高 進，張 欣，紀(jì) 磊，羅文浩

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，學(xué)校安全工作越來越引起各級領(lǐng)導(dǎo)和社會的關(guān)注，兒童和少年能否安全健康成才關(guān)系到千家萬戶的幸福，關(guān)系到廣大群眾的根本利益，關(guān)系到社會的穩(wěn)定，因此，對于中小學(xué)校園安全的建設(shè)就顯得非常重要，一個平安、和諧的校園環(huán)境對于學(xué)生的健康成長和良好發(fā)展具有重要意義。

本文結(jié)合射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），建立校園安全管理系統(tǒng)，對學(xué)生位置進行實時室內(nèi)定位，以確保學(xué)生的人身安全，學(xué)校可以對學(xué)生高效管理。因此定位的精準(zhǔn)度成為該系統(tǒng)的首要任務(wù)，本文將對傳統(tǒng)的定位算法VIRE完成改進，提高定位的準(zhǔn)確度。

1 RFID室內(nèi)定位技術(shù)

RFID技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代，最早應(yīng)用于二戰(zhàn)中，用來實現(xiàn)敵我識別系統(tǒng)[1]。經(jīng)過七十多年的發(fā)展，RFID技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，本文將介紹其在室內(nèi)定位方面的應(yīng)用。RFID定位有四種常用技術(shù)：到達時間（Time Of Arrival，TOA），到達時間差（Time Difference Of Arrival，TDOA），到達角（Angle Of Arrival，AOA）和基于接收的信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）的定位技術(shù)。前三種定位技術(shù)成本較高，而基于RSSI的定位技術(shù)成本低，受室內(nèi)定位的影響小，且不需要附加的硬件設(shè)備。考慮到室內(nèi)定位技術(shù)的研究水平和RFID技術(shù)的非接觸和非視距等優(yōu)勢，RSSI定位技術(shù)成為了基于RFID室內(nèi)定位一種最廣泛的應(yīng)用技術(shù)[2]。

基于RSSI值的定位基于傳輸路徑中的信號損失來估計距離。在實際傳輸中，信號會受到溫度濕度、室內(nèi)障礙物和其他外部因素的影響，這將使RSSI值的變化與衰減模型呈現(xiàn)非線性關(guān)系。由于各種室內(nèi)干擾因素的影響，尤其是參考標(biāo)簽之間相互影響發(fā)生多徑效應(yīng)，信號衰減的計算受到很大的影響[3]。因此，逐步推導(dǎo)出二種基于RSSI值的定位技術(shù)：一種是基于傳播模型方法；二是一種基于場景分析方法。

室內(nèi)場景分析法要求在場景內(nèi)部設(shè)置參考標(biāo)簽。定位時，閱讀器接收RSSI值，利用“最近鄰距離”權(quán)值思想，匹配并將其與場景內(nèi)參考標(biāo)簽值相匹配，并通過加權(quán)計算出標(biāo)簽的實際位置。與傳播模型相比較，場景分析法對外界因素的干擾具有很強的抑制作用，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位。

RFID室內(nèi)定位技術(shù)是目前使用最為廣泛的室內(nèi)定位系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有三部分構(gòu)成，分別是電子標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)軟件[4]。RFID定位技術(shù)是一種非接觸式的定位技術(shù)，在不需要人工的干預(yù)下可以自動識別并定位。RFID閱讀器與標(biāo)簽之間通過特定的頻率和相關(guān)的協(xié)議進行通信，并將服務(wù)器的信息寫入到標(biāo)簽中或者是將收到的信息發(fā)送給定位服務(wù)器。RSSI算法是根據(jù)測得目標(biāo)的強度，然后用模擬信號路徑耗損經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠碛嬎隳繕?biāo)的距離，最后利用定位算法測得待定標(biāo)簽的位置。目前大多數(shù)基于RFID的定位系統(tǒng)都是用RSSI算法來實現(xiàn)定位。

RSSI損耗模型公式：

其中p（d）是經(jīng)過距離d之后的路徑損耗，其單位為功率單位dB；d0為d=0.1 m時的參考距離，該值為實際的測量值；n為路徑損耗因子，是由路徑長度和損耗之間的比例算出，收到環(huán)境中物品的形狀和所使用的材料影響，一般取值范圍為1～6，Xδ是標(biāo)準(zhǔn)差為δ隨機變量，取值范圍一般為4～10。

本文主要討論了二種實時室內(nèi)定位分析算法：LANDMARK（基于動態(tài)有源RFID校準(zhǔn)的位置識別）算法和VIRE算法。

1.1 LANDMARK算法

LANDMARK定位系統(tǒng)是由電子標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)軟件三部分構(gòu)成，通過引入?yún)⒖紭?biāo)簽的概念，盡可能的減少了外部環(huán)境對定位精度的影響，提高了定位精度并大大減少了對室內(nèi)定位系統(tǒng)的投資[5]。算法通過將部分標(biāo)簽設(shè)置為定位的區(qū)域中的參考點，算法接收RFID標(biāo)簽和參考標(biāo)簽之間的RSSI值差異，并根據(jù)閱讀器和參考標(biāo)簽之間的差異選擇出最接近的那些標(biāo)簽。然后通過加權(quán)計算出“最近鄰標(biāo)簽”的位置信息。系統(tǒng)的定位模型如圖1所示。

如圖1所示，為LANDMARK定位圖，首先定義參考標(biāo)簽的信號強度的矢量為SR=（SR1,SR2…SR3），SR1為閱讀器讀取的參考標(biāo)簽i的信號強度值，因此可以得到定位標(biāo)簽信號強度的矢量矩陣為ST=（ST1,ST2…ST3），其中 STi表示待定標(biāo)簽在讀取器上的i上的RSSI值。

測得待定標(biāo)簽和參考標(biāo)簽之間的歐式距離：

圖1 LANDMARK定位圖

E的值越小表示參考標(biāo)簽與待測標(biāo)簽的實際距離越小，反之，E的值越大，則離得越遠。下一步在求得的Ei值中，選出在一定閾值范圍內(nèi)的k個點，這k個參考標(biāo)簽與待測標(biāo)簽最為接近的點，從而可以推算出待測標(biāo)簽的位置信息。位置算法如下：

其中，wl為第l個待測標(biāo)簽物理實際距離最接近的一個權(quán)值，權(quán)值wl可以有經(jīng)驗公式，如下：

其中，（x-x0）為參考標(biāo)簽的坐標(biāo) （x,y）為待測標(biāo)簽的坐標(biāo)位置。

1.2 VIRE算法

從上一節(jié)我們可以看出，LANDMARK算法的位置精度與參考標(biāo)簽的數(shù)量密切相關(guān)。然而，參考標(biāo)簽的增加不僅需要大量成本的輸入，而且還容易導(dǎo)致標(biāo)簽之間的信號干擾，這將導(dǎo)致定位精度的降低。因此提出一種基于LANDMARK算法的虛擬標(biāo)簽進行定位的VIRE算法。

VIRE定位算法采用了LANDMARK算法的基本原理，在兩個方面進行了改進：一是虛擬引用標(biāo)簽的引入[6]。通過在固定參考標(biāo)簽之間加入虛擬標(biāo)簽，虛擬標(biāo)簽獲得與固定參考標(biāo)簽相同的效果，并且過多的數(shù)量也不會導(dǎo)致信號交互。其次將相鄰映射的概念引入到VIRE定位算法中，通過比較每個閱讀器識別的圖，消除了小概率的位置，大大提高了定位精度。

在VIRE系統(tǒng)中，在每4個固定參考標(biāo)簽之間設(shè)置5個虛擬參考標(biāo)簽，則虛擬參考標(biāo)簽總數(shù)為52-4=21個個。虛擬標(biāo)簽分布圖如圖2所示。

圖2 VIRE虛擬標(biāo)簽分布

固定參考標(biāo)簽的坐標(biāo)值和信號強度值（RSSI）是確定值，并且虛擬標(biāo)簽之間的距離也是確定值。因此，可以通過線性插值公式得到固定位置處的虛擬參考標(biāo)簽的信號強度值（RSSI）。虛擬標(biāo)簽位置的計算如下：

其 中，Sk（Ti,j）表 示 第 k 個 閱 讀 器 在 （i, j）坐 標(biāo)位置上的虛擬標(biāo)簽RSSI強度值。a=[i/n],b=[ j/n],0≤p=i%n≤n-1,0≤q=j%n≤n-1

由上述可知，RFID定位系統(tǒng)中參考標(biāo)簽的設(shè)定對定位的精確度起著關(guān)鍵性的作用，因此RFID定位系統(tǒng)的精度也受到虛擬標(biāo)簽的多少影響，所以我們還需得出虛擬標(biāo)簽的最佳影響因子。設(shè)置一個影響因子W2i表示虛擬參考標(biāo)簽的多少和密度對定位精度的影響；設(shè)置W1i表示每個最近鄰參考標(biāo)簽的權(quán)值，那么這些虛擬標(biāo)簽的影響計算公式為：

其中，na表示模糊地圖交集后取出的最近鄰參考標(biāo)簽的總數(shù)，nci表示最近鄰標(biāo)簽組成的最小鄰近區(qū)域中所對應(yīng)連接區(qū)域數(shù)，得到最近鄰參考標(biāo)簽的權(quán)重：

2 改進的VIRE定位算法

根據(jù)經(jīng)典的LANDMARK算法，定位精度與參考標(biāo)簽的數(shù)量密切相關(guān)，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量達到一定量時，位置精度可以保持在高水平。然而，參考標(biāo)簽的數(shù)量增加不僅需要大量成本的輸入，而且還容易導(dǎo)致標(biāo)簽的信號干擾，這導(dǎo)致定位精度的降低。

基于LANDMARK算法，提出改進的VIRE定位算法，該算法利用虛擬標(biāo)簽和相鄰區(qū)域進行定位。本文將從“相鄰地圖優(yōu)化”方法進一步優(yōu)化VIRE算法，這將最小化待定標(biāo)簽的計算值與實際位置的誤差，命名為B-VIRE算法。

當(dāng)信號在實際環(huán)境中傳輸時存在多徑效應(yīng)[7]。閱讀器接收的標(biāo)簽的實際RSSI值與通過信號衰落公式[8]計算的理想值之間存在很大誤差，因此需要選擇合適的RSSI閾值排除小概率位置，如果閾值設(shè)置過小，將排除要定位的標(biāo)簽實際位置；因此，需要適當(dāng)?shù)脑黾娱撝担欢?，太大的閾值范圍將?dǎo)致太多的偽鄰接區(qū)域，導(dǎo)致定位精度大大降低，特別是那些位置與要定位的標(biāo)簽的實際位置大大偏離的偽鄰接區(qū)域。

目前我們已經(jīng)有了一種方法可以在排除小概率的位置后消除“偽鄰接區(qū)域”。該方法的工作流程是選擇相鄰區(qū)域中的區(qū)域，采取該區(qū)域的參考標(biāo)簽作為圓心。在半徑R處繪制圓圈。相鄰的數(shù)量園內(nèi)的區(qū)域是Ni，遍歷相鄰區(qū)域的所有區(qū)域。以最大Ni和R為半徑的區(qū)域的參考標(biāo)簽為中心的圓為最終的“相鄰區(qū)域”。改進的示意圖如圖3所示。

改革開放40年的社會主義法治建設(shè)，確立了國家發(fā)展中帶有根本性、全局性、穩(wěn)定性和長期性的重大制度，夯實了立國興邦、長治久安的法治根基，從制度上法律上確保黨對一切工作的領(lǐng)導(dǎo)，確保國家一切權(quán)力牢牢掌握在人民手中，確保國家主權(quán)、統(tǒng)一和民族團結(jié)，確保堅持獨立自主的和平外交政策、走和平發(fā)展道路，有力推動和保障了我國社會主義經(jīng)濟、政治、文化、社會和生態(tài)文明建設(shè)，為中國特色社會主義興旺發(fā)達、永不變色提供了堅實法治保障。

圖3 改進的示意圖

3 B-VIRE實驗仿真

我們設(shè)定與VIRE相同環(huán)境，路徑損耗n設(shè)置為n=2，參考標(biāo)簽設(shè)置為4×4，虛擬參考標(biāo)簽數(shù)設(shè)定為N=5時，使用MATLAB軟件進行仿真，得到圖4。

圖4 閾值對定位誤差的影響

由仿真結(jié)果可知當(dāng)閾值設(shè)定為th=2的時候，誤差最低為0.171 3 m，閾值過小將無法先建立準(zhǔn)確的待測標(biāo)簽交集，導(dǎo)致無法定位，閾值過大可能引入干擾虛擬參考標(biāo)簽，導(dǎo)致“偽鄰接區(qū)域”。VIRE系統(tǒng)定位圖見圖5。因此我們將閾值設(shè)定為2，帶入B-VIRE定位系統(tǒng)中，得到如下的仿真結(jié)果，見圖6。

圖5 VIRE系統(tǒng)定位圖

圖6 B-VIRE定位結(jié)果

由圖7和表1可知，當(dāng)閾值設(shè)定為th=2時，采用和VIRE同樣的定位環(huán)境，B-VIRE定位的精度得到顯著提高，尤其是標(biāo)簽1號，標(biāo)簽8號，標(biāo)簽14號和標(biāo)簽20號。定位誤差最低為8號標(biāo)簽，B-VIRE定位誤差為0.031 4 m，VIRE定位誤差為0.222 m，較VIRE定位算法誤差降低了85.86%，從定位結(jié)果上來看，B-VIRE定位平均誤差為0.206 27 m，而VIRE定位平均誤差為0.308 65 m，待測標(biāo)簽的誤差有顯著的降低。

圖7 各待測點定位誤差

表1 VIRE和B-VIRE二十個待測標(biāo)簽的定位誤差

4 結(jié) 語

本文闡述了RFID室內(nèi)定位算法的三種定位算法，給出了RFID定位算法的基礎(chǔ)理論，是通過標(biāo)簽的信號強度值強弱判斷出最近鄰標(biāo)簽，利用最近鄰算法得到待測標(biāo)簽坐標(biāo)。然后找出傳統(tǒng)的LANDMARK算法和VIRE算法的缺陷，并對其進行改進，最后提出一種基于VIRE定位算法的B-VIRE算法，通過相鄰地圖優(yōu)化法，提高定位精度。

通過最終的MATLAB仿真，我們對算法改進后的精度進行了比較，B-VIRE定位算法顯著的提高了待測標(biāo)簽的定位精度，改善了傳統(tǒng)的定位算法，仿真結(jié)果表明，本文提出的改進VIRE定位算法大大提高了定位待測標(biāo)簽的估計位置準(zhǔn)確性。