基于RFID改進的室內質心定位算法研究

楊勇明　高國偉　白國振

(1.上海理工大學實驗室管理與服務中心　上海　200093)(2.上海理工大學機械工程學院　上海　200093)

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基于RFID改進的室內質心定位算法研究

楊勇明1高國偉2白國振2

(1.上海理工大學實驗室管理與服務中心上海200093)(2.上海理工大學機械工程學院上海200093)

摘要GPS在室外的定位和基于位置的服務已經十分成熟,針對GPS在室內定位精度不高的問題,論文創造性地提出一種基于RFID改進的室內質心定位算法,以RFID實時定位格柵為基礎,先粗略定位后精確定位,實驗表明,改進的室內質心定位算法具有較高的定位精度,設備簡單,環境適應能力強等優點,可以用于室內定位等領域。

關鍵詞室內定位; RFID; 質心定位

Indoor Improvement Centroid Localization Algorithm Based on RFID

YANG Yongming1GAO Guowei2BAI Guozhen2

(1. Lab Management and Service Center, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai200093)

(2. School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai200093)

AbstractThe GPS outdoor positioning and location services are already mature, but GPS indoor positioning accuracy is poor, in this paper, an indoor improvement centroid localization algorithm based on RFID is put forward creatively, based on RFID real-time positioning grid, first rough positioning then precise positioning. Experimental results show that improved indoor centroid localization algorithm has higher positioning accuracy, simple equipment, strong ability to adapt to the environment, so it can be used in the field of indoor positioning.

Key Wordsindoor positioning, RFID, centroid localization

Class NumberTP393.9

1引言

隨著工業4.0的提出,物聯網技術迅速發展,定位技術作為物聯網技術的核心,也越來越多地受到關注,特別是位置感知在人們的生活中發揮著越來越重要的作用[1],它將是未來智慧城市必不可少的組成部分。

射頻識別技術(radio frequency identification,RFID)常被稱為電子標簽、感應卡、電子條形碼等,是一種非視距、非接觸、雙向傳輸數據的自動識別技術[2~3],作用距離短,一般最長為幾十米,并且具有傳輸范圍大、成本低、穿透力強、可重復使用等優點,是室內定位研究的前沿技術。本文在傳統質心定位算法的基礎上進行改進,提出了RFID實時定位柵格方案,由環境中按照一定規則分布的參考標簽和裝載有RFID閱讀器的目標物體組成,RFID閱讀器讀取參考標簽數據信息后傳輸到上位計算機系統進行定處理,可以獲得較高的實時定位精確度。

2RFID定位

2.1RFID定位系統

一套完整的RFID定位系統由RFID閱讀器、RFID參考標簽、上位計算機系統三部分組成[4],圖1為典型的RFID定位系統,工作狀態下的閱讀器通過天線傳送載波信號給參考標簽,當參考標簽進入閱讀器的識別范圍時,參考標簽接收并且解調來自閱讀器的載波信號,然后根據閱讀器傳送的相關指令,將參考標簽內部存儲的數據信息產生調制后的載波信號通過天線傳輸給閱讀器,閱讀器接收并且解調載波信號,及時傳輸到上位計算機系統,系統對這些數據信息處理,最后對目標物體進行實時位置確認。

2.2RSSI定位與距離的對應關系

RSSI定位是一種利用接收到信號強度值(Received Signal Strength Indication)來計算信號傳播的距離,進而確定參考標簽位置的定位方法,如LANDMARC定位系統[5~6],根據理論和測試的傳播模型經驗,RSSI隨距離呈對數衰減,即式(1)所示的對數路徑傳輸損耗模型[7~8]:

(1)

其中:PL(d)為距離閱讀器距離d處的信號強度值,PL(d0)為距離閱讀器距離d0處的信號強度值,n為路徑損耗指數,表示信號強度隨傳輸距離增加的速損耗率,取值范圍為2~5,d0為參考距離,一般取值為1m,d為標簽與閱讀器之間的實時距離。

圖1　典型的RFID系統示意圖

3改進的質心定位算法

3.1傳統的質心定位算法

傳統質心定位算法[9]:如果系統中未知節點能夠周期性地接收到鄰近區域內的已知節點的數據信息,那么這個未知節點就位于這些已知節點所組成的多邊形的質心處,圖2所示,設已知節點的坐標為(X1,Y1),(X2,Y2),(X3,Y3),(X4,Y4),…,(Xn,Yn),則未知節點的測量坐標可以根據式(2)計算:

(2)

圖2　傳統質心定位原理圖

圖3　RFID實時定位柵格

3.2改進的質心定位算法

本文提出改進的質心定位算法:兩個RFID閱讀器安裝在目標物體中心的前后對稱位置處,當RFID閱讀器讀取參考標簽數據信息后,及時傳輸到上位計算機系統,然后根據改進質心定位算法對目標物體進行實時定位,為提高系統定位精度。本文提出圖3所示RFID實時定位柵格,柵格特征參數可根據實際情況進行設計,形狀也可根據實際需求靈活擴展,柵格中參考標簽分布密度改變時,不需要更改標簽存儲信息,也不需要更改柵格的特征參數,這大大增強了系統柔性和魯棒性[10]。

1) RFID實時定位柵格

RFID實時定位柵格包括粗略定位柵格和精確定位柵格兩部分,其中粗略定位柵格的長和寬分別為L1和W1,精確定位柵格的長和寬分別為L2和W2,R代表粗略定位柵格所在列,S代表粗略定位柵格所在行,P代表精確定位柵格所在列,Q代表精確定位柵格所在行。柵格由均勻分布的(RS)只粗略定位柵格構成,每只粗略定位柵格由均勻分布的(PQ)只精確定位柵格組成;參考標簽粗略位置由(R,S)確定,精確位置由(P,Q)確定。參考標簽存儲信息包括:唯一識別碼、R、S、P、Q、RSSI值、有無障礙物、障礙物附近前、后、左、右四個方向通行情況、停靠和巡檢等信息。圖3中(R=3,S=5,P=2,Q=2,0,1,1,1,1)表示該定位參考標簽位于第3行和第5列交叉的粗略定位柵格中,同時處于該粗略定位柵格中第2行和第2行交叉的精確定位柵格處,四周無障礙物,前、后、左、右四個方向均可通行。

2) 算法工作原理

設目標物體上裝載的兩個RFID閱讀器分別為ReaderⅠ和ReaderⅡ:

(1)標簽掃描:兩個RFID閱讀器分別讀取其識別范圍內的參考標簽,包括粗略定位柵格信息(R,S),精確定位柵格信息(P,Q)和RSSI值信息;

(2)數據傳輸:RFID閱讀器讀取參考標簽信息后,以(R,S,P,Q,RSSI)數據包的形式經RS485無線收發模塊傳輸到上位計算機系統;

(3)參考標簽實際坐標計算:上位計算機系統接收參考標簽數據信息后,根據式(3)計算RFID實時定位柵格中對應參考標簽的實際坐標(Tix,Tiy);

(3)

(4)傳統質心定位算法計算閱讀器測量坐標:根據式(4)計算RFID閱讀器測量坐標(W1x,W1y)和(W2x,W2y);

(4)

(5)改進質心定位算法計算閱讀器測量坐標:分別選擇三個最佳定位參考標簽,根據式(1),將接收的參考標簽RSSI值轉化為距離r1o1、r1o2、r1o3和r2o1、r2o2、r2o3,然后以相應標簽為圓心,相應RSSI距離為半徑畫圓,那么閱讀器位于這些圓相交所形成的公共區域內,根據式(5)、(6)、(7)列出圓方程組,計算ReaderⅠ對應三角形頂點的坐標(X1A1,Y1A1)、(X1A2,Y1A2)、(X1A3,Y1A3),計算ReaderⅡ對應三角形頂點坐標(X2A1,Y2A1)、(X2A2,Y2A2)、(X2A3,Y2A3),然后根據式(8)、(9)分別計算ReaderⅠ測量坐標(W1x,W1y)和ReaderⅡ測量坐標和(W2x,W2y),其中圓O1與O2圓交點坐標方程組為式(5),圓O2與O3交點坐標方程組為式(6),圓O3與O1交點坐標方程組為式(7);

(5)

(6)

(7)

圖4　改進的質心定位算法原理圖

(6)提升閱讀器測量坐標精度:為提高定位參考標簽數據信息的合理性,確定閱讀器測量坐標時,著重對圓交點所形成三角形的頂點進行研究,給每個頂點坐標增加權重后,根據式(8~9)計算ReaderⅠ測量坐標(W1x,W1y)和ReaderⅡ測量坐標(W2x,W2y);

(8)

(9)

(7)計算目標物體測量坐標:根據式(10)計算目標物體測量坐標(Wx,Wy)。

(10)

4改進的質心定位算法應用實例

4.1實驗環境

實驗環境選擇研究生實驗室,房間大小為4m*6m,實驗儀器采用上海網頻電子科技有限公司的通用型RFID閱讀器和主動式參考標簽,設備實時性較好,通訊距離最遠100m(空曠空間,可軟件設置),圓極化全向性天線,識別速率100張標簽/s,具備同時讀取200張標簽的能力,可直接輸出RSSI值,因此適用于室內定位系統。

4.2上位機軟件開發

根據圖5所示上位機系統流程圖,基于Visual Basic 6.0開發圖6所示基于RFID改進的室內質心定位系統上位機軟件,可以實現目標物體的實時定位等功能。

圖5　上位機系統流程圖

圖6　基于RFID的室內定位系統上位機

4.3實驗驗證

同一實驗環境下,取d0=1m,對同一參考標簽分別測其前后左右四個方向的RSSI值30次,取平均值PLd0=-90.4700dBm代入式(1),每隔0.2m測量RSSI值代入式(1)計算n,取平均值n=-2.03代入式(1),得到如圖7、8所示曲線關系。

圖7　d0與RSSI關系曲線

圖8　d與RSSI關系曲線

圖9　改進的質心定位算法參考標簽分布模型圖

圖9中ReaderⅠ和ReaderⅡ安裝在目標物體中心的前后對稱位置處,則兩個閱讀器實時測量坐標的平均值即為目標物體實時測量坐標,其中RFID實時定位柵格的特征參數L1=1.0000m,W1=0.8000m,L2=0.1000m,W2=0.0800m,則(R,S,P,Q)數據信息如下:1#標簽(1,1,1,5),2#標簽(1,2,1,8),3#標簽(1,3,1,8),4#標簽(2,3,1,8),5#標簽(2,2,1,10),6#標簽(2,1,1,10),ReaderⅠ(1,1,5,10),ReaderⅡ(1,2,5,2),根據式(3)計算各個標簽的實際坐標:1#標簽實際坐標(T1x,T1y)=(0.0500,0.3600),2#標簽實際坐標(T2x,T2y)=(0.0500,1.4000),3#標簽實際坐標(T3x,T3y)=(0.0500,2.2000),4#標簽實際坐標(T4x,T4y)=(1.0500,2.2000),5#標簽實際坐標(T5x,T5y)=(1.0500,1.5600),6#標簽實際坐標(T6x,T6y)=(1.0500,0.7600),ReaderⅠ實際

1) 實驗環境無雜亂障礙物分布

表1　無障礙物分布距離—RSSI數據表

2) 實驗環境有雜亂障礙物分布

表2　有障礙物分布距離—RSSI數據表

同一實驗環境中,有雜亂障礙物分布時,從表3中選擇1#、2#、6#作為最佳定位參考標簽,運用改進的質心定位算法,根據式(5~7)分別計算ReaderⅠ相關圓O1、O2、O3和ReaderⅡ相關圓O1″、O2″、O3″兩兩相交形成三角形頂點的坐標(X1A1,Y1A1)=(0.5000,0.7770)、(X1A2,Y1A2)=(0.4320,0.8400)、(X1A3,Y1A3)=(0.5180,0.9070)和(X2A1,Y2A1)=(0.5000,0.7770)、(X2A2,Y2A2)=(0.4280,0.8430)、(X2A3,Y2A3)=(0.5190,

3) 實驗結果

表3　改進的質心定位算法定位結果分析

表3表明,相對于傳統的質心定位算法,本文提出的改進質心定位算法不僅定位精度高,而且適應能力強,實驗環境中有無雜亂障礙物的分布對定位精度影響不大。

5結語

本文針對當前常用室內定位算法的不足,將傳統的質心定位算法進行改進,提出自適應性較強的定位柵格概念,采用改進的質心定位算法,合理引用更多的參考標簽定位信息,實驗表明:本文提出的改進質心定位算法定位誤差在0.03左右,能夠最大限度地減小定位誤差,從而提高室內的定位精度,而且在一定程度上提高了系統的柔性和魯棒性,可以用于機器人室內定位等領域。

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中圖分類號TP393.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.01.002

作者簡介:楊勇明,男,碩士,實驗師,研究方向:機電一體化技術。高國偉,男,碩士研究生,研究方向:機器人技術。白國振,男,碩士,副教授,研究方向:機電一體化。

基金項目:上海市高校青年教師培養資助計劃(編號:1014204803)資助。

收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月24日