基于RFID的二维室内定位算法的实现

摘要：为了克服全球定位系统(GPS)对室内定位的盲点，在RFID一维定位的理论基础上推导出二维的室内定位算法，只需在室内摆放4个参考标签及两个远距RFID读取器即可实现二维定位，大大降低了系统的硬件成本。另外，基于RFID技术设计了一套嵌入式室内定位系统，通过该系统对二维定位方法进行实验验证，得到远距RFID读取器的不同二维坐标下的实验数据。为了减小RSSI值受电波的影响引起定位的不稳定，算法中通过增加读取参考标签RSSI值的次数的方法进行改善。通过对数据的分析可得，该算法可以实现准确及稳定的二维室内定位。
关键词：二雏室内定位；无线射频识别；嵌入式定位系统；RSSI

0 引言
    目前RFID定位主要采用LANDARC及其衍生的方法。较常采用的方法是在一个二维平面上，每隔1～2 m摆放一个参考标签，而且需要4个以上的远距RFID读取器，硬件成本较高。本文提出另一种方法，在二维平面上只需使用4个参考标签及2个远距RFID读取器，即可实现二维室内定位，大大降低了硬件成本并弥补了GPS只能进行室外定位的不足。

1 研究方法
1．1 一维定位
    如图1所示，4个电子标签#1～#4摆放位置固定。假设参考标签#1～#4与读取器的距离分别为rx1，rx2，rx3，rx4，读取器接收到电子标签#1～#4的信号强度指标(RSSI)分别为Sx1，Sx2，Sx3，Sx4。由于在室内，RFID读取器除了接收电子标签直线传输功率外，也接收了反射功率Pref以及误差功率Perr。因此RFID读取器所接收到源自某一电子标签的总功率Ptotal可表示为：
    
    式中：Perr为除了反射因素以外所造成的误差；Ptr为电子标签所发射的瞬间功率；Gt，Gr为电子标签及读取器的天线增益；λ为射频信号波长。

    由于信号强度指标RSSI随着功率递增而递增，由式(1)可假设：
    
    但是，实际测量中，很难知道Ptr，Ptotal，Pref，Perr这些参数值。为了实时测量rx的值，可由预先得知的(rx1，Sx1)，(rx2，Sx2)，(rx3，Sx3)及(rx4，Sx4)四组数据，以多项式来近似式(2)中的f(sx)函数。假设：
  
    由式(5)、(6)可求得系数a0，a1，a2，a3。
    实际定位可分为下列步骤：
    (1)由图1中位置固定的电子标签，可以得出(rx1，Sx1)，(rx2，Sx2)，(rx3，Sx3)及(rx4，Sx4)四组数据。
    (2)由式(5)、(6)及这四组数据可算出多项式的系数a0，a1，a2，a3。
    (3)远距读取器所读取的最佳RSSI值是介于0～256的整数值。可用sx值(0<sx<256)，根据式(3)、(4)先算出所估测的距离rx，然后将已算出的(sx，rx)关系参数存储。待实际测量时，将此关系参数代入即可得到估测的距离rx。

1．2 二维定位
    在一维定位的基础上，可继续推导出二维定位的情况。就图2示意图而言，使用二个远距RFID读取器(X，Y)及电子标签#1～#4。假设待定位电子标签与远距读取器(X，Y)的距离(rX，rY)与RSSI值(sX，sY)的关系由式(7)～(10)描述。其中系数aX0，aX1，aX2，aX3及aY0，aY1，aY2，aY3可由前述一维定位的方法推导出来。
  
    由于图2中远距读取器(X，Y)之间的距离固定而且已知，根据式(7)～(10)可知二维平面上待定位电子标签的位置。根据此中位置方法，待定位电子标签的位置也可能是图2中水平轴以下的位置，如虚线所示。为了分辨出图2中待定位电子标签的水平轴上下两个不同位置，可摆设另一读取器。由于读取器所读到水平轴上电子标签的RSSI值可区分出来，因此可分辨出水平轴以上及水平轴以下电子标签的位置。

2 二维定位系统设计
    该设计整体系统架构如图3所示，服务器执行RFID定位程序，同时开启Socket通信端口，等待接收来自客户端的一维定位数据。当Serv-er端本身得到一维定位数据，也接收到Client的一维定位数据后，再将最后定结果显示在显示屏上。客户端使用嵌入式系统(XSCALE架构PXA-270)，主要外围装置有随身碟、控制面板、RFID读取器、IP分配器。当嵌入式系统启动时，挂载随身碟将指定的数据夹加载到内存，并执行设定的Shell文件，RFID定位程序执行后，开启通信端口并启动RFID模块，当RFID定位程序得到一维定位数据后，通过局域网传送至Server端。
    进行RFID定位系统前，读取器与参考标签必须摆放在固定位置。服务器端主程序启动先读取set．txt文件，以便预先得知参考标签的卡号以及服务器与参考标签的对应距离。接着，嵌入式系统发送命令至读取器，以便读取参考电子标签的RSSI值，将所收到的RSSI值储存至各个参考标签专用的阵列里。当多次读取到参考标签的RSSI值以后，根据变异数剔除不合理的RSSI，并且保留合理的RSSI做平均，再将参考标签RSSI值根据式(7)～(10)使用查表法求得参考标签与读卡器的距离。上述的程序只需做1次即可，以达到误差校正的目的。而后执行发送命令给读卡器，并接收待定位标签的卡号及RSSI值。待定位标签读取Num次后作变异数处理，Num值可视情况调整。服务器接收客户端的一维定位数据后，以一维距离为依据，换算出二维定位座标。
    客户端执行动作与服务器端相似，差别在于，执行子程序时，主程序判断标志位是否为1，若条件成立，将一维定位距离显示在XSCALE-270的显示屏上，由Socket端口将客户端一维距离数据传送至服务器端。

3 测试结果
    整体系统功能测试在室内实验室进行，因空间限制，定位的距离实验(X，Y)坐标为(3 m，2 m)及(6m，4m)两组，服务器为原点(0，0)。每一个参考标签读取10组RSSI值做变异数计算距离参数，定位标签读取5组RSSI值做变异数再代入RSSI值求得一维估算距离。将服务器与客户端得到的一维距离数据做换算后求得二维距离坐标，如图4所示。

    由图4可观察到定位坐标在1～30 s内，(X，Y)坐标变化浮动大。根据电波本身的特性，知道电子标签在固定位置不动，但RSSI值却会有飘移的现象产生。根据此现象，在求得定位数据时，需增加读取参考标签RSSI值的次数，以求得更精确的定位数据。
    增加读取参考标签RSSI值的次数为50后，定位的距离实验(X，Y)坐标为(7 m，5 m)时实验数据如图5所示。定位结果发现准确性与稳定性都有了较大程度的改善，证明这种解决方法有效。

4 结语
    本文在一维定位的基础上，提出RFID二维定位技术，在二维平面上只需使用4个参考标签及2个远距RFID读取器即可实现室内定位。并设计了室内定位系统对该算法进行实验验证，实验结果得出二维定位的准确性与稳定性都有了较大程度的改善，在降低RFID定位成本的基础上提高了定位的性能。