基于RFID的二維室內(nèi)定位算法的實現(xiàn)詳細(xì)教程

0引言

目前RFID定位主要采用LANDARC及其衍生的方法。較常采用的方法是在一個二維平面上，每隔1～2 m擺放一個參考標(biāo)簽，而且需要4個以上的遠(yuǎn)距RFID讀取器，硬件成本較高。本文提出另一種方法，在二維平面上只需使用4個參考標(biāo)簽及2個遠(yuǎn)距RFID讀取器，即可實現(xiàn)二維室內(nèi)定位，大大降低了硬件成本并彌補(bǔ)了GPS只能進(jìn)行室外定位的不足。

1研究方法

1.1一維定位

如圖1所示，4個電子標(biāo)簽#1～#4擺放位置固定。假設(shè)參考標(biāo)簽#1～#4與讀取器的距離分別為rx1，rx2，rx3，rx4，讀取器接收到電子標(biāo)簽#1～#4的信號強(qiáng)度指標(biāo)（RSSI）分別為Sx1，Sx2，Sx3，Sx4.由于在室內(nèi)，RFID讀取器除了接收電子標(biāo)簽直線傳輸功率外，也接收了反射功率Pref以及誤差功率Perr.因此RFID讀取器所接收到源自某一電子標(biāo)簽的總功率Ptotal可表示為：

式中：Perr為除了反射因素以外所造成的誤差；Ptr為電子標(biāo)簽所發(fā)射的瞬間功率；Gt，Gr為電子標(biāo)簽及讀取器的天線增益；λ為射頻信號波長。

圖1 室內(nèi)一維定位的遠(yuǎn)距RFID讀取

由于信號強(qiáng)度指標(biāo)RSSI隨著功率遞增而遞增，由式（1）可假設(shè)：

但是，實際測量中，很難知道Ptr，Ptotal，Pref，Perr這些參數(shù)值。為了實時測量rx的值，可由預(yù)先得知的（rx1，Sx1），（rx2，Sx2），（rx3，Sx3）及（rx4，Sx4）四組數(shù)據(jù)，以多項式來近似式（2）中的f（sx）函數(shù)。假設(shè)：

由式（5）、（6）可求得系數(shù)a0，a1，a2，a3.

實際定位可分為下列步驟：

（1）由圖1中位置固定的電子標(biāo)簽，可以得出（rx1，Sx1），（rx2，Sx2），（rx3，Sx3）及（rx4，Sx4）四組數(shù)據(jù)。

（2）由式（5）、（6）及這四組數(shù)據(jù)可算出多項式的系數(shù)a0，a1，a2，a3.

（3）遠(yuǎn)距讀取器所讀取的最佳RSSI值是介于0～256的整數(shù)值?？捎胹x值（0

1.2二維定位

在一維定位的基礎(chǔ)上，可繼續(xù)推導(dǎo)出二維定位的情況。就圖2示意圖而言，使用二個遠(yuǎn)距RFID讀取器（X，Y）及電子標(biāo)簽#1～#4.假設(shè)待定位電子標(biāo)簽與遠(yuǎn)距讀取器（X，Y）的距離（rX，rY）與RSSI值（sX，sY）的關(guān)系由式（7）～（10）描述。其中系數(shù)aX0，aX1，aX2，aX3及aY0，aY1，aY2，aY3可由前述一維定位的方法推導(dǎo)出來。

由于圖2中遠(yuǎn)距讀取器（X，Y）之間的距離固定而且已知，根據(jù)式（7）～（10）可知二維平面上待定位電子標(biāo)簽的位置。根據(jù)此中位置方法，待定位電子標(biāo)簽的位置也可能是圖2中水平軸以下的位置，如虛線所示。為了分辨出圖2中待定位電子標(biāo)簽的水平軸上下兩個不同位置，可擺設(shè)另一讀取器。由于讀取器所讀到水平軸上電子標(biāo)簽的RSSI值可區(qū)分出來，因此可分辨出水平軸以上及水平軸以下電子標(biāo)簽的位置。

圖2 二維定位的示意圖

2二維定位系統(tǒng)設(shè)計

該設(shè)計整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，服務(wù)器執(zhí)行RFID定位程序，同時開啟Socket通信端口，等待接收來自客戶端的一維定位數(shù)據(jù)。當(dāng)Serv-er端本身得到一維定位數(shù)據(jù)，也接收到Client的一維定位數(shù)據(jù)后，再將最后定結(jié)果顯示在顯示屏上?？蛻舳耸褂?a target="_blank">嵌入式系統(tǒng)（XSCALE架構(gòu)PXA-270），主要外圍裝置有隨身碟、控制面板、RFID讀取器、IP分配器。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)啟動時，掛載隨身碟將指定的數(shù)據(jù)夾加載到內(nèi)存，并執(zhí)行設(shè)定的Shell文件，RFID定位程序執(zhí)行后，開啟通信端口并啟動RFID模塊，當(dāng)RFID定位程序得到一維定位數(shù)據(jù)后，通過局域網(wǎng)傳送至Server端。

進(jìn)行RFID定位系統(tǒng)前，讀取器與參考標(biāo)簽必須擺放在固定位置。服務(wù)器端主程序啟動先讀取set.txt文件，以便預(yù)先得知參考標(biāo)簽的卡號以及服務(wù)器與參考標(biāo)簽的對應(yīng)距離。接著，嵌入式系統(tǒng)發(fā)送命令至讀取器，以便讀取參考電子標(biāo)簽的RSSI值，將所收到的RSSI值儲存至各個參考標(biāo)簽專用的陣列里。當(dāng)多次讀取到參考標(biāo)簽的RSSI值以后，根據(jù)變異數(shù)剔除不合理的RSSI，并且保留合理的RSSI做平均，再將參考標(biāo)簽RSSI值根據(jù)式（7）～（10）使用查表法求得參考標(biāo)簽與讀卡器的距離。上述的程序只需做1次即可，以達(dá)到誤差校正的目的。而后執(zhí)行發(fā)送命令給讀卡器，并接收待定位標(biāo)簽的卡號及RSSI值。待定位標(biāo)簽讀取Num次后作變異數(shù)處理，Num值可視情況調(diào)整。服務(wù)器接收客戶端的一維定位數(shù)據(jù)后，以一維距離為依據(jù)，換算出二維定位座標(biāo)。

客戶端執(zhí)行動作與服務(wù)器端相似，差別在于，執(zhí)行子程序時，主程序判斷標(biāo)志位是否為1，若條件成立，將一維定位距離顯示在XSCALE-270的顯示屏上，由Socket端口將客戶端一維距離數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器端。

3測試結(jié)果

整體系統(tǒng)功能測試在室內(nèi)實驗室進(jìn)行，因空間限制，定位的距離實驗（X，Y）坐標(biāo)為（3 m，2 m）及（6m，4m）兩組，服務(wù)器為原點（0，0）。每一個參考標(biāo)簽讀取10組RSSI值做變異數(shù)計算距離參數(shù)，定位標(biāo)簽讀取5組RSSI值做變異數(shù)再代入RSSI值求得一維估算距離。將服務(wù)器與客戶端得到的一維距離數(shù)據(jù)做換算后求得二維距離坐標(biāo)，如圖4所示。

圖4 二維距離坐標(biāo)

由圖4可觀察到定位坐標(biāo)在1～30 s內(nèi)，（X，Y）坐標(biāo)變化浮動大。根據(jù)電波本身的特性，知道電子標(biāo)簽在固定位置不動，但RSSI值卻會有飄移的現(xiàn)象產(chǎn)生。根據(jù)此現(xiàn)象，在求得定位數(shù)據(jù)時，需增加讀取參考標(biāo)簽RSSI值的次數(shù)，以求得更精確的定位數(shù)據(jù)。

增加讀取參考標(biāo)簽RSSI值的次數(shù)為50后，定位的距離實驗（X，Y）坐標(biāo)為（7 m，5 m）時實驗數(shù)據(jù)如圖5所示。定位結(jié)果發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性都有了較大程度的改善，證明這種解決方法有效。

圖5 優(yōu)化后的坐標(biāo)

4結(jié)語

本文在一維定位的基礎(chǔ)上，提出RFID二維定位技術(shù)，在二維平面上只需使用4個參考標(biāo)簽及2個遠(yuǎn)距RFID讀寫器即可實現(xiàn)室內(nèi)定位。并設(shè)計了室內(nèi)定位系統(tǒng)對該算法進(jìn)行實驗驗證，實驗結(jié)果得出二維定位的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性都有了較大程度的改善，在降低RFID定位成本的基礎(chǔ)上提高了定位的性能。