王小輝，田 磊

（1.西安歐亞學(xué)院 休閑管理學(xué)院，陜西 西安710065；2.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710069；3.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西西安710121；4.西北大學(xué) 現(xiàn)代物理研究所，陜西 西安710069）

基于RFID技術(shù)的三維定位算法研究

王小輝1，2，田 磊3，4

（1.西安歐亞學(xué)院 休閑管理學(xué)院，陜西 西安710065；2.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710069；3.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西西安710121；4.西北大學(xué) 現(xiàn)代物理研究所，陜西 西安710069）

為了實(shí)現(xiàn)三維狀態(tài)下LANDMARC系統(tǒng)的高精度定位，采用RFID室內(nèi)定位算法，提出具有矯正因子的三維矯正定位算法，同時(shí)結(jié)合三角定位技術(shù)，將三維矯正定位算法應(yīng)用于三維空間中，確保提高定位精度。通過Matlab仿真可以看出，提出的三維矯正定位算法應(yīng)用于空間定位，計(jì)算誤差降低了50%，提高了系統(tǒng)的可靠度。并且克服了LANDMARC系統(tǒng)硬件成本高，需要較多參考指標(biāo)的不足。

LANDMARC；三維定位；矯正因子；算法

無線定位技術(shù)的研究促進(jìn)了移動(dòng)定位技術(shù)的快速發(fā)展，但由于室內(nèi)定位信號(hào)失鎖，會(huì)引起整周模糊度計(jì)數(shù)停止。另外，全球定位系統(tǒng)（GlobalPositionSystem: GPS）屬于衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其適用環(huán)境在室外[1，2]。由于上述定位技術(shù)的局限性，而射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification:RFID）技術(shù)與有非接觸的特點(diǎn)，所以，RFID在室內(nèi)定位得到廣泛應(yīng)用[3-5]。但是目前各種RFID定位算法均是二維算法[6-8]，文中提出一種RFID三維矯正定位算法，與原有LANDMARC系統(tǒng)相比，定位精度得到顯著提高。

1 RFID定位技術(shù)

RFID技術(shù)是一種非接觸、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。利用射頻特性進(jìn)行信號(hào)傳輸，從而完成對(duì)具體目標(biāo)的識(shí)別過程，與此同時(shí)，還可以從被識(shí)別目標(biāo)中獲取有用信息。由于射頻技術(shù)的特點(diǎn)，所以本技術(shù)具有工作距離遠(yuǎn)、非視距等優(yōu)點(diǎn)，可工作于各類環(huán)境。其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，系統(tǒng)架構(gòu)主要由RFID標(biāo)簽、讀寫器與收發(fā)天線構(gòu)成。具體的工作流程是利用RFID天線的收發(fā)功能，將某頻率的射頻信號(hào)在標(biāo)簽與讀寫器之間進(jìn)行傳送。當(dāng)RFID標(biāo)簽在讀寫器讀取射頻信號(hào)距離范圍內(nèi)時(shí)，標(biāo)簽即被激活，同時(shí)發(fā)送射頻信號(hào)，信號(hào)通過天線傳至讀寫器。

RFID技術(shù)主要應(yīng)用在 SpotON、3D-iD和LANDMARC三大系統(tǒng)中。為了更好地看出上述3個(gè)系統(tǒng)地各項(xiàng)指標(biāo)，文中將各項(xiàng)指標(biāo)作以對(duì)比，見表1所示。

表1 三大系統(tǒng)優(yōu)劣比較

表1中，相比于SpotON和3D-iD而言，LANDMARC的定位精度更高，可擴(kuò)展性更好，這就保證了該技術(shù)可以在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定持續(xù)的工作[9-10]。

2 LANDMARC定位算法

LANDMARC定位算法的基本原理是近鄰算法和間接測(cè)量算法的綜合，通過經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)待定位標(biāo)簽的實(shí)際坐標(biāo)位置進(jìn)行模擬仿真。

設(shè)系統(tǒng)的仿真條件為：M個(gè)RFID讀寫器，L個(gè)待定位標(biāo)簽，N個(gè)總參考標(biāo)簽數(shù)，K個(gè)用于定位所選的鄰近參考標(biāo)簽數(shù)量，則算法的主要步驟如下[11-13]：

1）分步測(cè)算待定位標(biāo)簽以及參考標(biāo)簽到讀寫器的信號(hào)強(qiáng)度，具體表達(dá)如公式（1）。

式中，信號(hào)強(qiáng)度是S，標(biāo)簽到讀寫器距離為d，ai表示相應(yīng)的曲線擬合參數(shù)。由于該式所利用的模型未將信號(hào)強(qiáng)度與響應(yīng)距離之間的物理特性作深入研究，所以，為了得到更好的擬合效果，計(jì)算過程需要海量測(cè)量值和多項(xiàng)式階次。

2）求解待定位標(biāo)簽i與參考標(biāo)簽h間的歐幾里得距離。

如果i的信號(hào)強(qiáng)度矩陣可表示為：S=[Sij]（i=1，2，…L；j=1，2，…M）。Sij表示讀寫器j檢測(cè)到i的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)值。設(shè)相應(yīng)的參考標(biāo)簽h的信號(hào)強(qiáng)度矩陣是：θ=[θij]（h=1，2，…N；j=1，2，…M）。同理，θij表示的就是讀寫器j檢測(cè)到h的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)值。根據(jù)上述分析可知，i和h的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)間的歐幾里得距離如下式：

式中Dih越小，表示i與h的距離越近，反之則越遠(yuǎn)。對(duì)于不同的i和h，均可用相同的方法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的歐幾里得距離Dih。

3）求解i的坐標(biāo)。

首先需要確定出與i信號(hào)強(qiáng)度最近的K個(gè)參考標(biāo)簽，則i的坐標(biāo)可表示為：

上式，（xih，yih，zih）表示的是第μ個(gè)h的實(shí)際位置坐標(biāo)；wih表示的是為第μ個(gè)鄰近參考標(biāo)簽h的權(quán)重。那么，wih的數(shù)值按下列經(jīng)驗(yàn)公式確定：

3 三維矯正定位算法

文中采用三角定位工作原理 （如圖2所示）[14]，圖中的A、B、C分別表示3個(gè)RFID讀寫器，而他們各自到待定位標(biāo)簽的檢測(cè)距離設(shè)定為R1、R2、R3。此時(shí)，這三組檢測(cè)距離可以通過估算定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度而得出。如果已知這3個(gè)讀寫器的坐標(biāo)（x′，y′，z′），即可計(jì)算得到待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)（x，y，z）。而該坐標(biāo)與實(shí)際的位置坐標(biāo)之間可能會(huì)存在一定的誤差，該誤差用（δx，δy，δz）可表示為式（5）：

根據(jù)上述對(duì)三角定位法的分析，可以看出該方法要求至少出現(xiàn)3個(gè)或3個(gè)以上的RFID讀寫器能同時(shí)檢測(cè)到待定位標(biāo)簽。隨著檢測(cè)到待定位標(biāo)簽的RFID讀寫器數(shù)目的增多，系統(tǒng)地計(jì)算精度也將更精確，相應(yīng)的坐標(biāo)即可依次得出。

圖2 三角定位法的工作原理

為了將計(jì)算流程具體化，此處假設(shè)RFID讀寫器的數(shù)目為n個(gè)、參考標(biāo)簽是m個(gè)以及u個(gè)待定位標(biāo)簽。在正常工作狀態(tài)中，讀寫器工作在連續(xù)模式下，根據(jù)上述要求每個(gè)標(biāo)簽可以同時(shí)被3個(gè)以上讀寫器檢測(cè)到[15-16]。其具體的計(jì)算流程為：

1）得到同時(shí)檢測(cè)到待定位標(biāo)簽的讀寫器個(gè)數(shù)p，p∈[3，n]；

2）從第1）步中檢測(cè)到的個(gè)讀寫器檢測(cè)到的所有參考標(biāo)簽中挑選出能被p∈[3，p]個(gè)讀寫器，同時(shí)檢測(cè)到的r個(gè)參考標(biāo)簽；

4）根據(jù)三角定位方法，利用q個(gè)讀寫器計(jì)算出k個(gè)最近鄰居參考標(biāo)簽的位置，已知 k個(gè)參考標(biāo)簽的實(shí)際位置（xi，yi，zi），并根據(jù)式（4）得出（δxi，δyi，δzi）， 通過統(tǒng)計(jì)得出平均誤差，稱為定位誤差矯正因子。

5）根據(jù)三角定位方法，利用第2）步得到的q個(gè)讀寫器計(jì)算出待定位標(biāo)簽的位置（x′，y′，z′），并根據(jù)等效式（x，y，z）=（x′，y′，z′）+（δxi，δyi，δzi）來計(jì)算待定位標(biāo)簽的實(shí)際位置（x，y，z）。

4 算法仿真

結(jié)合三維矯正定位方法，設(shè)置4個(gè)RFID讀寫器，20個(gè)參考標(biāo)簽，10個(gè)待定位標(biāo)簽，具體的仿真布局圖如圖3所示。

圖3 讀寫器的標(biāo)簽布局圖

根據(jù)第3節(jié)中的計(jì)算流程，此處設(shè)定相關(guān)的參數(shù)值，q=3且k=4。對(duì)10個(gè)待定位標(biāo)簽做100次仿真實(shí)驗(yàn)， 依次得出最鄰近參考標(biāo)簽坐標(biāo)1，2，3，4，已知最鄰近參考標(biāo)簽坐標(biāo) （xi，yi，zi）i= 1，2，3，4。

圖4 改進(jìn)算法與LANDMARC算法比較

由上圖可知，通過本文設(shè)計(jì)的三維矯正定位算法，單位面積上的平均誤差較原有的LANDMARC算法下降了近一倍。由此可見，將三維矯正定位算法應(yīng)用于空間定位，可以大大降低計(jì)算誤差，提高系統(tǒng)的可靠度。

5 結(jié) 論

文中采用偽距差分法，結(jié)合 RFID定位中LANCMARC系統(tǒng)的原理，提出一種三維矯正定位算法，引入矯正因子來修正定位精度，并把該算法用在三維室內(nèi)定位，該算法不但縮小了定位范圍，而且由于引入了矯正因子而進(jìn)一步提高了定位精度。

[1]Zhang Qinghui，Li Wei.Research on the three dimensional indoor RFID positioning algorithm[C]. 2010 Second International Conference on Computer Modeling and Simulation. Sanya，Hainan:IEEE Computer Society，2010，4:93-95.

[2]龔真春，宋執(zhí)環(huán)，李平，等.一種低成本的差分GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn) [J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005，13（1）:86-88.

[3]張曉亮，趙平，徐冠青，林日明.基于一種優(yōu)化的KNN算法在室內(nèi)定位中的應(yīng)用研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（4）:44-46.

[4]吳文癤，王瀟，趙鯤鵬，等.基于RFID技術(shù)的智慧園區(qū)室內(nèi)定位算法[J].電信科學(xué)，2016（3）:187-191.

[5]文湘欣，黃勇，安文霞.RFID室內(nèi)定位算法與天線布設(shè)方案研究[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，34（2）:79-85.

[6]閆保中，姜琛，尹偉偉.基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位算法研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，27（2）:20-324，355.

[7]屈軍鎖，侯曉寧，張繼榮，樊永軍.四基站時(shí)差和牛頓迭代法的三維定位算法 [J].西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（2）:36-40.

[8]HUANG Xiang，WANG Zhi-zhong，GUO Jian-hua. Theoretical generalization of Markov chain random field from potential function perspective[J].Journal of Central South University of Technology，2016（23）:189-200.

[9]朱娟，周尚偉，馬啟平.基于RFID的室內(nèi)定位算法[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（8）:160-162.

[10]韓下林，趙衛(wèi)東，季軍，等.基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位算法及其改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2008，34（22）: 266-267，270.

[11]Chong Wang，Hongyi Wu，Nian-Feng Tzeng. RFID-Based 3-D Positioning Schemes[C]. INFOCOM2007.26th IEEE International Conference on ComputerCommunications.Anchorage，AK: IEEE，2007，1235-1243.

[12]王遠(yuǎn)哲，毛陸虹，劉輝，等.基于參考標(biāo)簽的射頻識(shí)別定位算法研究與應(yīng)用[J].通信學(xué)報(bào)，2010，31（2）:86-92.

[13]顧嘉，錢鈺博，孫厚芳，等.工裝室內(nèi)定位技術(shù)研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（9）:1056-1058.

[14]王峰，尚超，聶百勝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位算法[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2015，45（2）:184-189.

[15]Sung-Tsun Shih，Kunta Hsieh，Pei-Yuan Chen.An Improvement Approach of Indoor Location Sensing Using Active RFID [C].Proceedings of the First InternationalConference on Innovative Computing，Information and Control.Beijing:IEEE Computer Society，2006（2）:453-456.

[16]范呂.一種新的研究捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差傳播特性的方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（3）:123-126.

Design of the three-dimensional positioning algorithm based on RFID

WANG Xiao-hui1，2，TIAN Lei3，4
（1.Leisure Management College，Xi'an Eurasia University，Xi'an 710065，China；2.College of Tourism and Environment，Shaanxi Normal University，Xi'an 710062，China；3.School of Electronic Engineering，Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an 710121，China；4.Institute of Modern Physics，Northwest University，Xi'an 710069，China）

In order to realize the three-dimensional state under the LANDMARC system of high precision positioning by RFID indoor location algorithm，put forward a correction factor of three-dimensional correction algorithm， and combining with the triangulation technology 3D correction localization algorithm is applied in three-dimensional space，to ensure the improvement of the positioning accuracy. The Matlab simulation shows that the proposed method is applied to the spatial location，and the calculation error is reduced by 50%，which improves the reliability of the system.And overcome the LANDMARC system hardware cost is high，need more reference index.

LANDMARC；triangulation location；correction factor；algorithm

TN925.93

：A

：1674－6236（2017）06-0136-04

2016-04-14稿件編號(hào)：201604146

西安市社會(huì)科學(xué)規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2015EA03）；陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（15JK1676）；西安郵電大學(xué)青年教師基金重點(diǎn)項(xiàng)目（101-0488）

王小輝（1979—），女，陜西咸陽人，博士，副教授。研究方向：地理信息系統(tǒng)。