圖書館室內定位技術的研究

張孟祺 賴金明 江昊東 李錦輝

（暨南大學，廣東 珠海 519000）

1 研究內容

暨南大學圖書館雖然為學生們提供了計算機檢索書籍，然而，大范圍的允許借閱如果只是用電腦來查找書籍效率十分低下，無法保證準確。全世界許多人都在不辭辛苦地找尋解決的方案，我們國家的一些圖書館也為借閱者提供了查詢書籍具體位置的服務。該文在借鑒國內外圖書館定位書籍的先進經驗的基礎上，采用RFID 技術為書籍位置提供查詢服務。在書籍位置查詢的過程中，我們利用便宜的小型貼片天線來獲取書籍從實際位置傳來的信號，再把信號傳送到RFID 定位器，RFID 定位器要安裝在書柜上。RFID 定位器構成覆蓋整個借閱區的無線網。分布在借閱區的主站計算機會對RFID 定位器獲取的書籍位置信息進行解析處理，并把解析后的實際位置信息發送給借閱者，使借閱者獲得書籍的實際位置。在采用Wi-Fi 技術進行定位方面，Wi-Fi 定位模塊的工作原理是利用位置指紋定位方法與PDR 技術相結合而成的定位方法。

2 RFID定位方面

2.1 前期準備

為了測試RFID 定位的準確性，該項目組購置了固定式RFID 讀寫器單通道R2000 UHF 超高頻遠距離電子標簽閱讀器，讀寫器所獲取的RSSI 值為該項目需要讀取的各個標簽數據，EPC 對應每個標簽的ID 號，識別次數的刷新頻率可反映標簽是否被正常讀取。

基于距離測量的定位算法一般可分為4 種，即TOA 測距定位算法、TDOA 測距定位算法、AOA 測距定位算法、RSSI 測距定位算法。其中基于RSSI 的定位算法簡單高效、廉價實用，與其他定位算法相比，更易于大規模推廣應用。如何提高基于 RSSI 定位算法的精度和穩定性是該文研究的重點[1]。

2.2 實地分析

以暨珠圖書館4 樓為實地考察場所，館內書架為鋼制雙面書架，層與層之間也采用了鋼板作為支撐，書架的2 面，層與層之間不會有信號干擾。一個書架長3 m，高2.2 m 將標簽粘貼在書架上，安裝好讀寫器，連接電源，將天線分別放在該書架的4 個角落，打開軟件，發現標簽均能正常讀寫。增設標簽數量和調整天線位置后，得出4 個結論。1）標簽之間的干擾很小，幾乎可以忽略。2）天線正面需要面向要讀取的標簽，否則很難正常讀取RSSI 值。3） 在4 個角落放置天線效率最高。4）書架的鋼制隔板具有很強的信號屏蔽作用。

經過實地考察，分析室內RFID 定位的各種算法，在MATLAB上進行模擬仿真誤差分析后，通過電磁波理論和實驗測量，再根據陳卓等人的VIRE 定位算法研究[2]，可以確定，優化定位算法的方式可以更精確地讀取定位信息。

2.3 優化算法

書架隔板粘貼參考標簽，書架4 個角落安放天線，4 個天線正面都朝向對應的2 個書架。那么定位待測標簽的位置可分為2 步。

2.3.1 定位標簽及其所屬書架--基于LANDMARC算法

通過天線讀取同一個帶定位標簽的信號強度值（RSSI），在讀取到的該標簽信號的天線測得的RSSI 數據中，基于參考標簽到待定位標簽的RSSI 矢量，分別計算歐式距離，最后通過比對所有參考標簽與未定位標簽的歐式距離，計算得出最靠近未定位標簽的毗鄰參考標簽，再查其參考標簽的ID 號，即可定位至該書架。

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

首先，確定待測標簽書架后，再用虛擬坐標法對未測標簽毗鄰的2 個參考標簽重復取中點，最后在2 個標簽的中點生成虛擬參考標簽。則可根據VIRE 算法定位待測標簽。比對網上資料，根據實際參考標簽的RSSI 值，可由插值法得出虛擬參考標簽RSSI 值。為了擬合室內環境干擾，采用牛頓插值法，求得各個虛擬參考標簽的RSSI 值。

其次，定義Sk為第k 個虛擬參考標簽的信號強度矢量，其中Sk1為對應第k 個標簽被第1 個天線測得的值，Sk2等以此類推如公式（1）所示：

SN集合表示N 個標簽RSSI 值集合。其中S11表示第1 個標簽的第一個天線測得的RSSI，S12、SN1等以此類推。如公式（2）所示：

采用VIRE 算法的相近地圖原理，使用此書架對應的4 個天線讀取到的虛擬參考標簽矩陣SN，分別計算歐式距離后，再比對每個虛擬參考標簽到待測標簽的歐式距離。預先設置一個閾值，當待測標簽與虛擬參考標簽的歐式距離小于或等于閾值時，則可近似認為該參考標簽的位置等于待測標簽的位置。

最后，反復迭代前2 個步驟

一直重復二分法取虛擬參考標簽，計算歐氏距離并進行匹配，當所得實體或虛擬參考標簽與待測標簽的歐式距離小于預先設置的閾值，則得出待測標簽的位置為該參考標簽的位置。

2.4 仿真誤差分析

首先，由于天線面朝書架，對應在書架上的參考標簽易被讀取。且書架正反2 面有鋼板隔層，不會對另一側的參考標簽信號產生干擾。加之書架占地面積大，書架上參考標簽量多，所以首先定位書架幾乎不會定位錯誤。

其次，精確定位則采用MATLAB 仿真檢驗，視為二維平面定位，仿真結果如圖1 所示，計算圖中測得坐標與實際坐標的距離，得平均誤差0.51 m，最大誤差0.86 m，最小誤差0.22 m，符合實際要求。

圖1 MATLAB 仿真檢驗

3 Wi-Fi定位方面

3.1 Wi-Fi指紋定位

基于Wi-Fi 定位算法包括離線定位和在線定位。離線定位根據參考點的坐標位置和信號強度，建立各個參考點位置的信息庫，然后根據數據庫及得到的人的坐標和信號強度信息進行定位。在線定位，用戶通過掃描各個定位點的信號強度值完成與信息庫中RSSI 的相似度匹配，得到位置信息并通過用戶界面顯示所在位置信息。經過測算后，可知在2 m 以下的誤差范圍時，可以再5 m×5 m 的范圍內布置4 個AP 點，且令各AP點部署成矩形效果最佳。如果使用RP（隨機部署參考點），則可以將誤差縮小到1.5 m。但是考慮到圖書館的室內空間多為多邊形結構，所以應該選擇均勻部署AP 的方式。

3.2 PDR航跡推算算法

PDR 定位過程，根據獲得的行人初始位置、檢測到的慣性傳感數據以及依據慣性測量信號得到行人的步數、步長、航向等有效信息，根據特定的算法得到行人所在的具體位置。要想弄清其測量信號與行人運動規律，必須精確地測量原始信號的值以及根據慣性傳感器測量加速度的值，但是采集到的信號包含了噪聲，因此測量之后需要去除噪聲，以實現精確測量，而噪聲的主要來源為信道噪聲以及重力加速度的影響。測量了步頻、步長、航向等數據后，再結合行人初始位置、行人位置坐標，就能實時推算出行人目前所在的位置[3]。

4 結語

該文先是對該項目的研究背景進行了介紹，然后分析并研究了圖書館室內圖書定位和用戶定位用到的相關算法和技術。然后設計了具體的系統、方法，對導航系統進行測試，驗證了該系統的準確性、可靠性與實用性。并通過MATLAB 對結果進行分析并優化了算法。由于研究時間有限以及作者團隊的能力問題，在該項目的分析與研究中，依然存在不足之處需要改進，具體有2 個方面。1）獲取數據存在誤差。受限于資金與時間，不能測試多種型號的RFID 讀寫器與標簽，也不能在結構不同的圖書館進行重復實驗，得出的實驗數據也或多或少有誤差。2）室內定位方式。在該系統中，RFID 系統的定位效果還算差強人意，但是Wi-Fi 定位用戶的系統的誤差比較大，希望在未來能夠有一種非常精確的室內定位方式，能夠實時跟蹤用戶位置。