基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)簡介

宋其龍,杜 軍

( 山東師范大學物理與電子科學學院，山東 濟南 250014 )

基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)簡介

宋其龍,杜 軍*

( 山東師范大學物理與電子科學學院，山東 濟南 250014 )

從RFID角度分別介紹了三種室內(nèi)定位技術(shù)的工作原理、優(yōu)缺點及發(fā)展趨勢，使讀者對當前基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)有一個全面的了解。

室內(nèi)定位；RFID；定位算法

1 引言

近年來，隨著綜合類商場、地下停車場、會展中心等大型室內(nèi)場所如雨后春筍般的涌現(xiàn)，人們對室內(nèi)目標位置信息的需求也與日俱增，使室內(nèi)定位技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注。針對室內(nèi)環(huán)境較強的封閉性和非視距噪聲，造成GPS無法定位的問題，國內(nèi)外的研究機構(gòu)提出了幾種解決方案[1]，主要包括超聲波、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、藍牙以及射頻識別(RFID，Radio Frequency Identification)技術(shù)等。其中，RFID技術(shù)以其非視距、非接觸、成本低、精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點成為室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)先選擇?？傮w來說，典型的室內(nèi)定位技術(shù)大致可以分為三種基本類型，分別是三角測量法、場景分析法和鄰近法。

2 三角測量法

三角測量法根據(jù)三角形的幾何特性來計算待測目標的位置坐標。該方法主要包含兩個方面，即基于距離的測量[2]和基于角度的測量。其中，基于距離的測量是通過測量定位目標到位置檢測設(shè)備之間的距離來計算目標位置的。

如圖1所示，A、B、C分別是三個位置坐標已知的讀寫器，待測目標P上攜帶電子標簽，當P進入讀寫器的讀取范圍內(nèi)時，只需測量讀寫器到電子標簽的距離r1、r2、r3，便可計算出P的位置坐標。該方法可以通過信號到達時間(Time of Arrival，TOA)、信號到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)以及接收信號強度(Received Signal Strength，RSS)等方法對r1、r2、r3進行測量。

TOA定位，是通過己知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算讀寫器到電子標簽之間距離的，在理想情況下，由基本物理學公式r =v·t可以得出。通常來說，使用TOA定位對時間精度要求極高，在RFID 定位中，考慮到經(jīng)濟性和可行性，采用該方法來達到室內(nèi)定位的高精度是不可取的。

TDOA定位，是對TOA定位的改進，其基本思想是基于定位目標發(fā)出的測量信號到達多個位置檢測設(shè)備的時間差值來判斷位置坐標的。TDOA定位無需保證每個測量裝置之間的時間同步，從而降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。同樣的，由于RFID信號傳播時延測量精度的原因，該方法同樣無法滿足室內(nèi)精確定位的要求。

RSS定位，其基本原理是已知待測節(jié)點發(fā)出信號的強度，根據(jù)檢測設(shè)備接收到的信號強度，通過計算傳播損耗，利用如下理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚3]將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離r，從而實現(xiàn)對待測節(jié)點的精確定位。

其中，RSS0是參考距離為r0時的接受信號強度，RSS為待測目標距離為r時的接受信號強度，ζ為環(huán)境因子，η是路徑損耗指數(shù)。

圖1 三角測距原理圖

圖2 AOA定位原理圖

在基于RFID的室內(nèi)定位中，由于電子標簽本身就具備無線通信能力，所以RSS測距無需額外的硬件設(shè)備，是一種低功率、廉價的測距技術(shù)。但是，由于無線信號在空間傳播中受室內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、隨機流動人員等諸多不確定因素的影響，使得利用距離—損耗模型進行室內(nèi)定位較為困難，是一種比較粗糙的測距技術(shù)，我們可以在對定位精度要求不高的場合采用RSS定位，并通過調(diào)整經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、修改定位算法，或者與其他定位技術(shù)信息融合等方法來減少定位誤差。

基于角度的測量往往采用信號到達角度(Angle of Arrival，AOA)的方法。圖2顯示了AOA定位的原理，由一組檢測設(shè)備的陣列天線接收待測目標發(fā)射的射頻信號，來判斷目標的所在方向，通過目標到測量裝置之間方向線的交點來確定待測目標的位置。

該方法的優(yōu)勢在于僅需兩個參考點即可實現(xiàn)二維空間定位，而且不需要系統(tǒng)的時間同步。但是在RFID室內(nèi)定位中，AOA定位對閱讀器天線的要求很高，且定位精度受多徑效應(yīng)影響很大，在相對狹小的室內(nèi)環(huán)境中收效不大。

在應(yīng)用到三角測量的RFID室內(nèi)定位領(lǐng)域，SpotON[5]是最早使用的定位系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)利用讀寫器與參考標簽在室內(nèi)構(gòu)造一個無線感測環(huán)境，依據(jù)閱讀器接收到的待測物體上電子標簽發(fā)出的信號強度，通過聚合算法減少接受信號強度誤差，并利用空間信號傳播的距離—損耗模型，來判斷他們之間的歐氏距離，最后利用三角定位算法對目標實現(xiàn)空間定位。SpotON 系統(tǒng)既能提供目標的絕對位置也能提供其相對位置，但是到目前為止，完整的 SpotON系統(tǒng)還沒有建成。

3 場景分析法

基于射頻信號的場景分析法一般又稱為位置指紋定位法，這種定位方法需要先對室內(nèi)環(huán)境進行調(diào)查，接收不同位置的指紋信息(在基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位中，位置指紋信息一般為讀寫器接收到的電子標簽的信號強度RSS)，并為收集的信息建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。在測量階段，通過將即時收集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的位置特征參數(shù)進行對比匹配，從而實現(xiàn)對目標的定位。顯然，想要獲得較為準確的定位結(jié)果，就需要盡量密集地采集樣本位置信息，前期工作量大。

LANDMARC系統(tǒng)[6]是在RFID室內(nèi)定位技術(shù)中，借鑒到場景分析法的一種較為優(yōu)秀的系統(tǒng)。它的基本原理是在室內(nèi)環(huán)境中(圖3)布置若干位置坐標已知的主動式參考標簽，并在周圍布置RFID讀寫器。

當有待測標簽進入到室內(nèi)環(huán)境中時，由讀寫器接收到參考標簽和待測標簽的RSS矢量值，通過對比二者間信號的歐氏距離的大小，近而找到距待測標簽位置較近的幾個參考標簽，并通過分配權(quán)重來估計出待測標簽的位置坐標。

在實際應(yīng)用中，LANDMARC系統(tǒng)使用廉價的電子標簽，并得益于RFID環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)勢，使得定位結(jié)果比較準確，在產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步和生產(chǎn)成本降低上，該系統(tǒng)也具有較大的價值與商機。

圖3 LANDMARC定位系統(tǒng)

圖4 VIRE定位算法虛擬標簽

容易看出，在精確度要求很高的條件下，LANDMARC系統(tǒng)需要安排大量的參考標簽，這不僅增加了消耗，提高了成本，參考標簽之間還容易產(chǎn)生干擾?？紤]到這些問題，人們在LANDMARC的基礎(chǔ)上提出了一種新的算法——VIRE算法[7、8]。VIRE算法的核心思想是在LANDMARC系統(tǒng)中相鄰的參考標簽之間構(gòu)造若干個虛擬參考標簽(圖4)，并采用線性插值法估計出虛擬參考標簽的RSS值，最終對待測目標進行定位。此方法既彌補了標簽數(shù)量不足的問題，又沒有增加系統(tǒng)的成本，通過對比，VIRE算法的定位精度得到了有效的改善(圖5)。

圖5 VIRE算法的定位精度

由圖5可以看出，兩種算法在邊界處的定位誤差仍然較大，針對這一問題，又有人提出了BVIRE[9]算法。BVIRE算法的核心思想是在VIRE算法的基礎(chǔ)上，引入邊界虛擬標簽，以彌補邊界處由于標簽數(shù)量分布不足導(dǎo)致定位誤差較大的缺點。該方法中邊界虛擬標簽的RSS值通過線性回歸方程求得。

除此之外，目前很多學者都致力于對LANDMARC算法、VIRE算法以及BVIRE算法的改進，例如在調(diào)整信號接收方式[10]、改良虛擬標簽插值方法[11、12]、引入鄰近地圖概念排除小概率事件[10]等方面的改進，以期在不增加額外成本的同時獲得更高的定位精度。

4 鄰近法

鄰近法的作用原理很容易理解，它首先需要在室內(nèi)布置密集的天線網(wǎng)格，網(wǎng)格中每個天線的位置坐標都是已知的，當待測目標移動到天線附近時，被會網(wǎng)格里的天線檢測到，便可知道物體的大致位置。如果移動目標發(fā)出的信號被多個天線所接收，則可通過天線接收的信號強度來確定目標的位置。

鄰近法對硬件要求不高，實現(xiàn)起來較為簡單，但是該方法的定位精度整體較低，而且一般只能提供目標的相對位置信息。通常適用于對定位精度要求不高的場合，或是與其他方法相結(jié)合以提高定位精度。在RFID定位領(lǐng)域運用到鄰近法的定位系統(tǒng)并不多見。

5 結(jié)束語

隨著RFID技術(shù)的不斷成熟，室內(nèi)定位領(lǐng)域也逐漸開始傾向于使用這種新技術(shù)來提高定位效果，降低定位成本。然而我們要清醒地認識到，RFID技術(shù)在室內(nèi)定位領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段，而且由于應(yīng)用環(huán)境和用戶需求的不同，有很多問題和技術(shù)還需要深入的探究和創(chuàng)新?？梢灶A(yù)計，隨著RFID技術(shù)在室內(nèi)定位中展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景，這一課題也將受到科研人員越來越多的關(guān)注和重視，其研究必定會成為近幾年的重點和熱點。

[1]阮衛(wèi)華.常見的室內(nèi)無線定位技術(shù)簡介[J].科技信息，2009，33.

[2]李魏峰.基于 RFID 的室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].上海交通大學，2010.

[3]徐日明.基于 RSSI 的室內(nèi)無線定位方案研究[D].南京航空航天大學，2010.

[4]魏縱橫.射頻識別室內(nèi)定位技術(shù)及應(yīng)用研究[D].華南理工大學，2010.

[5]王一樂.基于RFID的室內(nèi)定位方法研究與應(yīng)用[D].西安理工大學，2010.

[6]解迎剛，王志良，鄭珊山.基于LANDMARC及其算法改進的RFID室內(nèi)定位研究[C]. 第二十九屆中國控制會議，2010.

[7]俱瑩.基于 RFID 的室內(nèi)定位算法研究.[D].天津大學，2010.

[8]陳冰.無源RFID定位系統(tǒng)搭建與VIRE算法優(yōu)化.天津大學，2011.

[9]俱瑩，劉開華，史偉光，閆格.基于RFID的邊界虛擬參考標簽定位算法[J].計算機工程，2011，37(6).

[10]李鵬，馬寧，楊擁軍，文光俊.基于RFID的邊界虛擬參考標簽改進算法[J].計算機應(yīng)用研究，2013，30(1).

[11]陳家琪，嚴梓乘.一種Newton插值的RFID室內(nèi)定位改進算法[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21(1).

[12]朱娟，周尚偉，馬啟平.基于RFID的室內(nèi)定位算法[J].微計算機信息，2009，25(8-2).

(責任編輯：孫強)

Introduction of Indoor Positioning System Based on RFID

SONG Qi-long，DU Jun

( Shandong Normal University, Jinan, Shandong 250014, China )

Based on RFID, three types of indoor positioning system are introduced in this paper. It introduces the technology of RFID，and analyzes the characteristics of the indoor wireless environment.

indoor positioning system; RFID; location algorithm

2014-08-01

宋其龍(1988-)，男，山東濟南人，碩士研究生。

TN925

A

1671-4385(2014)05-0127-03

*通訊作者：杜軍(1973-)，副教授、博士。