張孟祺 賴(lài)金明 江昊東 李錦輝

（暨南大學(xué)，廣東 珠海 519000）

1 研究?jī)?nèi)容

暨南大學(xué)圖書(shū)館雖然為學(xué)生們提供了計(jì)算機(jī)檢索書(shū)籍，然而，大范圍的允許借閱如果只是用電腦來(lái)查找書(shū)籍效率十分低下，無(wú)法保證準(zhǔn)確。全世界許多人都在不辭辛苦地找尋解決的方案，我們國(guó)家的一些圖書(shū)館也為借閱者提供了查詢(xún)書(shū)籍具體位置的服務(wù)。該文在借鑒國(guó)內(nèi)外圖書(shū)館定位書(shū)籍的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用RFID 技術(shù)為書(shū)籍位置提供查詢(xún)服務(wù)。在書(shū)籍位置查詢(xún)的過(guò)程中，我們利用便宜的小型貼片天線(xiàn)來(lái)獲取書(shū)籍從實(shí)際位置傳來(lái)的信號(hào)，再把信號(hào)傳送到RFID 定位器，RFID 定位器要安裝在書(shū)柜上。RFID 定位器構(gòu)成覆蓋整個(gè)借閱區(qū)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)。分布在借閱區(qū)的主站計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)RFID 定位器獲取的書(shū)籍位置信息進(jìn)行解析處理，并把解析后的實(shí)際位置信息發(fā)送給借閱者，使借閱者獲得書(shū)籍的實(shí)際位置。在采用Wi-Fi 技術(shù)進(jìn)行定位方面，Wi-Fi 定位模塊的工作原理是利用位置指紋定位方法與PDR 技術(shù)相結(jié)合而成的定位方法。

2 RFID定位方面

2.1 前期準(zhǔn)備

為了測(cè)試RFID 定位的準(zhǔn)確性，該項(xiàng)目組購(gòu)置了固定式RFID 讀寫(xiě)器單通道R2000 UHF 超高頻遠(yuǎn)距離電子標(biāo)簽閱讀器，讀寫(xiě)器所獲取的RSSI 值為該項(xiàng)目需要讀取的各個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)，EPC 對(duì)應(yīng)每個(gè)標(biāo)簽的ID 號(hào)，識(shí)別次數(shù)的刷新頻率可反映標(biāo)簽是否被正常讀取。

基于距離測(cè)量的定位算法一般可分為4 種，即TOA 測(cè)距定位算法、TDOA 測(cè)距定位算法、AOA 測(cè)距定位算法、RSSI 測(cè)距定位算法。其中基于RSSI 的定位算法簡(jiǎn)單高效、廉價(jià)實(shí)用，與其他定位算法相比，更易于大規(guī)模推廣應(yīng)用。如何提高基于 RSSI 定位算法的精度和穩(wěn)定性是該文研究的重點(diǎn)[1]。

2.2 實(shí)地分析

以暨珠圖書(shū)館4 樓為實(shí)地考察場(chǎng)所，館內(nèi)書(shū)架為鋼制雙面書(shū)架，層與層之間也采用了鋼板作為支撐，書(shū)架的2 面，層與層之間不會(huì)有信號(hào)干擾。一個(gè)書(shū)架長(zhǎng)3 m，高2.2 m 將標(biāo)簽粘貼在書(shū)架上，安裝好讀寫(xiě)器，連接電源，將天線(xiàn)分別放在該書(shū)架的4 個(gè)角落，打開(kāi)軟件，發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽均能正常讀寫(xiě)。增設(shè)標(biāo)簽數(shù)量和調(diào)整天線(xiàn)位置后，得出4 個(gè)結(jié)論。1）標(biāo)簽之間的干擾很小，幾乎可以忽略。2）天線(xiàn)正面需要面向要讀取的標(biāo)簽，否則很難正常讀取RSSI 值。3） 在4 個(gè)角落放置天線(xiàn)效率最高。4）書(shū)架的鋼制隔板具有很強(qiáng)的信號(hào)屏蔽作用。

經(jīng)過(guò)實(shí)地考察，分析室內(nèi)RFID 定位的各種算法，在MATLAB上進(jìn)行模擬仿真誤差分析后，通過(guò)電磁波理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，再根據(jù)陳卓等人的VIRE 定位算法研究[2]，可以確定，優(yōu)化定位算法的方式可以更精確地讀取定位信息。

2.3 優(yōu)化算法

書(shū)架隔板粘貼參考標(biāo)簽，書(shū)架4 個(gè)角落安放天線(xiàn)，4 個(gè)天線(xiàn)正面都朝向?qū)?yīng)的2 個(gè)書(shū)架。那么定位待測(cè)標(biāo)簽的位置可分為2 步。

2.3.1 定位標(biāo)簽及其所屬書(shū)架--基于LANDMARC算法

通過(guò)天線(xiàn)讀取同一個(gè)帶定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值（RSSI），在讀取到的該標(biāo)簽信號(hào)的天線(xiàn)測(cè)得的RSSI 數(shù)據(jù)中，基于參考標(biāo)簽到待定位標(biāo)簽的RSSI 矢量，分別計(jì)算歐式距離，最后通過(guò)比對(duì)所有參考標(biāo)簽與未定位標(biāo)簽的歐式距離，計(jì)算得出最靠近未定位標(biāo)簽的毗鄰參考標(biāo)簽，再查其參考標(biāo)簽的ID 號(hào)，即可定位至該書(shū)架。

2.3.2 新型VIRE算法精確定位標(biāo)簽所在位置（已確定書(shū)架，則可視為二維平面定位）

首先，確定待測(cè)標(biāo)簽書(shū)架后，再用虛擬坐標(biāo)法對(duì)未測(cè)標(biāo)簽毗鄰的2 個(gè)參考標(biāo)簽重復(fù)取中點(diǎn)，最后在2 個(gè)標(biāo)簽的中點(diǎn)生成虛擬參考標(biāo)簽。則可根據(jù)VIRE 算法定位待測(cè)標(biāo)簽。比對(duì)網(wǎng)上資料，根據(jù)實(shí)際參考標(biāo)簽的RSSI 值，可由插值法得出虛擬參考標(biāo)簽RSSI 值。為了擬合室內(nèi)環(huán)境干擾，采用牛頓插值法，求得各個(gè)虛擬參考標(biāo)簽的RSSI 值。

其次，定義Sk為第k 個(gè)虛擬參考標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度矢量，其中Sk1為對(duì)應(yīng)第k 個(gè)標(biāo)簽被第1 個(gè)天線(xiàn)測(cè)得的值，Sk2等以此類(lèi)推如公式（1）所示：

SN集合表示N 個(gè)標(biāo)簽RSSI 值集合。其中S11表示第1 個(gè)標(biāo)簽的第一個(gè)天線(xiàn)測(cè)得的RSSI，S12、SN1等以此類(lèi)推。如公式（2）所示：

采用VIRE 算法的相近地圖原理，使用此書(shū)架對(duì)應(yīng)的4 個(gè)天線(xiàn)讀取到的虛擬參考標(biāo)簽矩陣SN，分別計(jì)算歐式距離后，再比對(duì)每個(gè)虛擬參考標(biāo)簽到待測(cè)標(biāo)簽的歐式距離。預(yù)先設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)待測(cè)標(biāo)簽與虛擬參考標(biāo)簽的歐式距離小于或等于閾值時(shí)，則可近似認(rèn)為該參考標(biāo)簽的位置等于待測(cè)標(biāo)簽的位置。

最后，反復(fù)迭代前2 個(gè)步驟

一直重復(fù)二分法取虛擬參考標(biāo)簽，計(jì)算歐氏距離并進(jìn)行匹配，當(dāng)所得實(shí)體或虛擬參考標(biāo)簽與待測(cè)標(biāo)簽的歐式距離小于預(yù)先設(shè)置的閾值，則得出待測(cè)標(biāo)簽的位置為該參考標(biāo)簽的位置。

2.4 仿真誤差分析

首先，由于天線(xiàn)面朝書(shū)架，對(duì)應(yīng)在書(shū)架上的參考標(biāo)簽易被讀取。且書(shū)架正反2 面有鋼板隔層，不會(huì)對(duì)另一側(cè)的參考標(biāo)簽信號(hào)產(chǎn)生干擾。加之書(shū)架占地面積大，書(shū)架上參考標(biāo)簽量多，所以首先定位書(shū)架幾乎不會(huì)定位錯(cuò)誤。

其次，精確定位則采用MATLAB 仿真檢驗(yàn)，視為二維平面定位，仿真結(jié)果如圖1 所示，計(jì)算圖中測(cè)得坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的距離，得平均誤差0.51 m，最大誤差0.86 m，最小誤差0.22 m，符合實(shí)際要求。

圖1 MATLAB 仿真檢驗(yàn)

3 Wi-Fi定位方面

3.1 Wi-Fi指紋定位

基于Wi-Fi 定位算法包括離線(xiàn)定位和在線(xiàn)定位。離線(xiàn)定位根據(jù)參考點(diǎn)的坐標(biāo)位置和信號(hào)強(qiáng)度，建立各個(gè)參考點(diǎn)位置的信息庫(kù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)及得到的人的坐標(biāo)和信號(hào)強(qiáng)度信息進(jìn)行定位。在線(xiàn)定位，用戶(hù)通過(guò)掃描各個(gè)定位點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值完成與信息庫(kù)中RSSI 的相似度匹配，得到位置信息并通過(guò)用戶(hù)界面顯示所在位置信息。經(jīng)過(guò)測(cè)算后，可知在2 m 以下的誤差范圍時(shí)，可以再5 m×5 m 的范圍內(nèi)布置4 個(gè)AP 點(diǎn)，且令各AP點(diǎn)部署成矩形效果最佳。如果使用RP（隨機(jī)部署參考點(diǎn)），則可以將誤差縮小到1.5 m。但是考慮到圖書(shū)館的室內(nèi)空間多為多邊形結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)該選擇均勻部署AP 的方式。

3.2 PDR航跡推算算法

PDR 定位過(guò)程，根據(jù)獲得的行人初始位置、檢測(cè)到的慣性傳感數(shù)據(jù)以及依據(jù)慣性測(cè)量信號(hào)得到行人的步數(shù)、步長(zhǎng)、航向等有效信息，根據(jù)特定的算法得到行人所在的具體位置。要想弄清其測(cè)量信號(hào)與行人運(yùn)動(dòng)規(guī)律，必須精確地測(cè)量原始信號(hào)的值以及根據(jù)慣性傳感器測(cè)量加速度的值，但是采集到的信號(hào)包含了噪聲，因此測(cè)量之后需要去除噪聲，以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，而噪聲的主要來(lái)源為信道噪聲以及重力加速度的影響。測(cè)量了步頻、步長(zhǎng)、航向等數(shù)據(jù)后，再結(jié)合行人初始位置、行人位置坐標(biāo)，就能實(shí)時(shí)推算出行人目前所在的位置[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

該文先是對(duì)該項(xiàng)目的研究背景進(jìn)行了介紹，然后分析并研究了圖書(shū)館室內(nèi)圖書(shū)定位和用戶(hù)定位用到的相關(guān)算法和技術(shù)。然后設(shè)計(jì)了具體的系統(tǒng)、方法，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性與實(shí)用性。并通過(guò)MATLAB 對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析并優(yōu)化了算法。由于研究時(shí)間有限以及作者團(tuán)隊(duì)的能力問(wèn)題，在該項(xiàng)目的分析與研究中，依然存在不足之處需要改進(jìn)，具體有2 個(gè)方面。1）獲取數(shù)據(jù)存在誤差。受限于資金與時(shí)間，不能測(cè)試多種型號(hào)的RFID 讀寫(xiě)器與標(biāo)簽，也不能在結(jié)構(gòu)不同的圖書(shū)館進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也或多或少有誤差。2）室內(nèi)定位方式。在該系統(tǒng)中，RFID 系統(tǒng)的定位效果還算差強(qiáng)人意，但是Wi-Fi 定位用戶(hù)的系統(tǒng)的誤差比較大，希望在未來(lái)能夠有一種非常精確的室內(nèi)定位方式，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤用戶(hù)位置。