一种基于超高频RFID电子标签的精确定位系统

乔静 郭燕玲 陈同宁 刘伟民

摘要：本文介绍了一种圆内接正六边形的精确定位系统。系统将阅读器到参考电子标签的定位误差计算在内，可同时定位多个电子标签，也可以对运动标签定位，成本低。通过数据分析可得，该系统在不同的环境下定位精度高，可靠性高。

关键词：超高频RFID;圆内接正六边形定位系统;误差;高精度;高可靠性

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）46-0056-02

射频识别技术（Radio Frequency Identication）是从20世纪80年代起逐步发展走向成熟的一项自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便[1]。在未来几年中，超高频RFID技术将会得到非常广泛的应用[2-3]。

采用RFID作为定位识别技术的典型代表是SpotON。该系统基于信号强度分析，发展了一种聚合算法对三维空间进行定位，SpotON系统中硬件标签以网络状的形式分布，无须中央控制单元，通过标签检测到的信号强弱来表征标签之间的几何距离，但是完整的SpotON系统目前为止仍不完善[4]。采用红外线定位技术只适合于短距离传播，且容易被荧光灯或房间内的灯光干扰，所以该定位技术在定位范围和定位精度上有很大的局限性[5]。Cricket Location-Support System和Active Bat均采用超声波时延信号进行定位，其整体定位精度较高，但需要大量的底层硬件设施，成本太高。除此以外，其他定位技术，如UWB[6]、Bluetooth[7]等，都有其各自的优缺点。为提高RFID技术定位的精度，本系统充分利用RFID技术非接触和非视距等优点，设计了圆内接正六边形定位系统。

一、RFID定位系统介绍

1.三边测量法。无线信号的接受强度和信号传输具体的关系可以用式（1）来表示，其中RSSI是接受信号强度，d是收发节点之间的距离，n是信号传播因子。

RSSI=-（A+10nlgd）？摇 （1）

RSSI值受周围环境的影响较大，具有时变特性，有时会偏离式（1）的描述，根据接收信号强度估计出来的距离d就会有较大误差。通过大量数据分析，采用了一个噪声模型，即环境衰减因素模型，可有效补偿环境因素带来的误差，如式（2）所示。

RSSI=-（A+10nlgd）-EAF （2）

上式中EAF（dBm）为环境影响因素，它的值取决于室内环境，是靠大量的数据累积的经验值。EAF是一个随机变量，但为了增强实用性，将其固定为一个值。通过大量比较实验环境下测得的RSSI值与理想状态下的RSSI值，得到实验环境EAF大概为11dBm，A取值45，n取值3.5[8]。

在采集到RSSI值后，依据式（2）就可以得到阅读器到标签的距离，通过三边测量法[9]就可以定位到待定位标签的位置。如图1所示。

在实际情况下因RSSI受多径衰减和非视距阻挡的影响，所估测的d1、d2、d3值比实际的d大得多。三个圆两两相交于点D、E、F，连接D、E、F为三角形，以三角形的质心作为对未知节点的估测距离。如图2所示。

2.圆内接正六边形定位系统。为了将RSSI受多径衰减、非视距及系统本身的影响考虑在内，基于超高频RFID的高精度定位系统组成如图3所示，使用三个远距离RFID阅读器R1、R2、R3及4个参考电子标签A、B、C、D，其中3个阅读器和3个参考电子标签处于圆内接正六边形的六个顶点，参考标签D处于圆的圆心。

阅读器天线R1动态扫描电子标签发射的信号，获取参考标签A、B、C、D到R1的距离，分别记为r1A、r1B、r1C、r1D。由于参考标签的位置事实上已经固定，将该系统定位得到的r1A、r1B、r1C、r1D与实际r1A0、r1B0、r1C0、r1D0做误差计算，分别记为δ1A、δ1B、δ1C、δ1D。同理R2、R3也可以分别对参考电子标签A、B、C、D进行定位并得到相应的误差δ2A、δ2B、δ2C、δ2D、δ3A、δ3B、δ3C、δ31D。将δ1=（δ1A+δ1B+δ1C）/3、δ2=（δ2A+δ2B+δ2C）/3、δ3=（δ3A+δ3B+δ3C）/3作为系统的定位误差计入待定位标签的位置计算中。

二、仿真实验及结果分析

超高频RFID定位系统的优劣主要从其定位精度、成本等几个方面进行评估。本文特针对系统的定位精度进行仿真分析。

应用MATLAB仿真软件对基于三边定位算法的定位系统进行仿真，仿真过程如下：

1.给定圆接正六边形系统的半径。则阅读器R1、R2、R3的坐标可知。

2.在圆的内部产生F点，假设（x，y）。计算D点到阅读器R1、R2、R3的距离，假设分别为d1、d2、d3。

3.d1、d2、d3分别加上该系统的定位误差δ1、δ2、δ3后假设为D1、D2、D3。

4.在系统误差不同的情况下，根据R1、R2、R3三点的坐标和D1、D2、D3用三边测量法计算待定位标签的坐标。

给定圆的半径为4m，F点实际坐标为（0，0），经仿真得到F点的坐标如图4所示。从定位结果中可以发现该系统在不同定位误差下具有高的定位精度和可靠性，定位误差不超过0.04m。

结束语：

本文提出的圆内接正六边形的定位系统只使用了用3个阅读器和4个参考标签实现定位，将系统受多径衰减、非视距及系统本身的影响用阅读器到参考电子标签的定位误差表征，并将该误差用于待定位标签的定位中，通过三边测量法进行定位。仿真结果表明：该系统具有较高的稳定性和精度，在降低RFID定位成本的基础上提高了定位的性能。

参考文献：

[1]哈卡米，徐邦振，吴哲夫.一种改进的室内物品RFID定位技术[J].应用天地，2014，（6）：65-66.

[2]Costanzo A，Masotti D，Ussmueller T，et al.Tag，Youre It：Ranging and Finding via RFID Technology[J]. IEEE Microwave Magazine，2013，14（5）：36-46.

[3]宋远峰，刘新.基于RFID的定位综述[J].数字通信，2013，40（4）：9-11.

[4]王勇，胡旭东.一种基于RFID的室内定位算法[J].浙江理工大学学报，2009，26（2）：228-230.

[5]陈瑞鑫，邹传云.有源RFID定位系统设计与实现[J].电子技术应用，2010，36（10）：114-116.

[6]Guvenc I，Sahinoglu Z. Multiscale energy products for TOA estimation in IR-UWB systems[C]. In：Proc. of the IEEE Global Telecommunications Conf.（GLOBECOM 2005）.St. Louis，2005：209-213.

[7]Montemrlo M，Thrum S，Koller D. A factored solution to the simultaneous localization and mapping problem：Proceedings of the AAAI National Conference on Artifical Intelligence，2002[C].Edmonton，Canada：AAAI，2002：593-598.

[8]石为人，熊志广，许磊.一种用于室内人员定位的RSSI定位算法[J].计算机工程与应用，2010，（17）：232-235.

[9]林玮，等.基于RSSI的无线传感器网络三角形质心算法研究[J].传感器技术，2009，（2）：180-182.