基于RFID改进的室内质心定位算法研究

杨勇明　高国伟　白国振

(1.上海理工大学实验室管理与服务中心　上海　200093)(2.上海理工大学机械工程学院　上海　200093)



基于RFID改进的室内质心定位算法研究

杨勇明1高国伟2白国振2

(1.上海理工大学实验室管理与服务中心上海200093)(2.上海理工大学机械工程学院上海200093)

摘要GPS在室外的定位和基于位置的服务已经十分成熟,针对GPS在室内定位精度不高的问题,论文创造性地提出一种基于RFID改进的室内质心定位算法,以RFID实时定位格栅为基础,先粗略定位后精确定位,实验表明,改进的室内质心定位算法具有较高的定位精度,设备简单,环境适应能力强等优点,可以用于室内定位等领域。

关键词室内定位; RFID; 质心定位

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

随着工业4.0的提出,物联网技术迅速发展,定位技术作为物联网技术的核心,也越来越多地受到关注,特别是位置感知在人们的生活中发挥着越来越重要的作用[1],它将是未来智慧城市必不可少的组成部分。

射频识别技术(radio frequency identification,RFID)常被称为电子标签、感应卡、电子条形码等,是一种非视距、非接触、双向传输数据的自动识别技术[2~3],作用距离短,一般最长为几十米,并且具有传输范围大、成本低、穿透力强、可重复使用等优点,是室内定位研究的前沿技术。本文在传统质心定位算法的基础上进行改进,提出了RFID实时定位栅格方案,由环境中按照一定规则分布的参考标签和装载有RFID阅读器的目标物体组成,RFID阅读器读取参考标签数据信息后传输到上位计算机系统进行定处理,可以获得较高的实时定位精确度。

2RFID定位

2.1RFID定位系统

一套完整的RFID定位系统由RFID阅读器、RFID参考标签、上位计算机系统三部分组成[4],图1为典型的RFID定位系统,工作状态下的阅读器通过天线传送载波信号给参考标签,当参考标签进入阅读器的识别范围时,参考标签接收并且解调来自阅读器的载波信号,然后根据阅读器传送的相关指令,将参考标签内部存储的数据信息产生调制后的载波信号通过天线传输给阅读器,阅读器接收并且解调载波信号,及时传输到上位计算机系统,系统对这些数据信息处理,最后对目标物体进行实时位置确认。

2.2RSSI定位与距离的对应关系

RSSI定位是一种利用接收到信号强度值(Received Signal Strength Indication)来计算信号传播的距离,进而确定参考标签位置的定位方法,如LANDMARC定位系统[5~6],根据理论和测试的传播模型经验,RSSI随距离呈对数衰减,即式(1)所示的对数路径传输损耗模型[7~8]:

(1)

其中:PL(d)为距离阅读器距离d处的信号强度值,PL(d0)为距离阅读器距离d0处的信号强度值,n为路径损耗指数,表示信号强度随传输距离增加的速损耗率,取值范围为2~5,d0为参考距离,一般取值为1m,d为标签与阅读器之间的实时距离。

图1　典型的RFID系统示意图

3改进的质心定位算法

3.1传统的质心定位算法

传统质心定位算法[9]:如果系统中未知节点能够周期性地接收到邻近区域内的已知节点的数据信息,那么这个未知节点就位于这些已知节点所组成的多边形的质心处,图2所示,设已知节点的坐标为(X1,Y1),(X2,Y2),(X3,Y3),(X4,Y4),…,(Xn,Yn),则未知节点的测量坐标可以根据式(2)计算:

(2)

图2　传统质心定位原理图

图3　RFID实时定位栅格

3.2改进的质心定位算法

本文提出改进的质心定位算法:两个RFID阅读器安装在目标物体中心的前后对称位置处,当RFID阅读器读取参考标签数据信息后,及时传输到上位计算机系统,然后根据改进质心定位算法对目标物体进行实时定位,为提高系统定位精度。本文提出图3所示RFID实时定位栅格,栅格特征参数可根据实际情况进行设计,形状也可根据实际需求灵活扩展,栅格中参考标签分布密度改变时,不需要更改标签存储信息,也不需要更改栅格的特征参数,这大大增强了系统柔性和鲁棒性[10]。

1) RFID实时定位栅格

RFID实时定位栅格包括粗略定位栅格和精确定位栅格两部分,其中粗略定位栅格的长和宽分别为L1和W1,精确定位栅格的长和宽分别为L2和W2,R代表粗略定位栅格所在列,S代表粗略定位栅格所在行,P代表精确定位栅格所在列,Q代表精确定位栅格所在行。栅格由均匀分布的(RS)只粗略定位栅格构成,每只粗略定位栅格由均匀分布的(PQ)只精确定位栅格组成;参考标签粗略位置由(R,S)确定,精确位置由(P,Q)确定。参考标签存储信息包括:唯一识别码、R、S、P、Q、RSSI值、有无障碍物、障碍物附近前、后、左、右四个方向通行情况、停靠和巡检等信息。图3中(R=3,S=5,P=2,Q=2,0,1,1,1,1)表示该定位参考标签位于第3行和第5列交叉的粗略定位栅格中,同时处于该粗略定位栅格中第2行和第2行交叉的精确定位栅格处,四周无障碍物,前、后、左、右四个方向均可通行。

2) 算法工作原理

设目标物体上装载的两个RFID阅读器分别为ReaderⅠ和ReaderⅡ:

(1)标签扫描:两个RFID阅读器分别读取其识别范围内的参考标签,包括粗略定位栅格信息(R,S),精确定位栅格信息(P,Q)和RSSI值信息;

(2)数据传输:RFID阅读器读取参考标签信息后,以(R,S,P,Q,RSSI)数据包的形式经RS485无线收发模块传输到上位计算机系统;

(3)参考标签实际坐标计算:上位计算机系统接收参考标签数据信息后,根据式(3)计算RFID实时定位栅格中对应参考标签的实际坐标(Tix,Tiy);

(3)

(4)传统质心定位算法计算阅读器测量坐标:根据式(4)计算RFID阅读器测量坐标(W1x,W1y)和(W2x,W2y);

(4)

(5)改进质心定位算法计算阅读器测量坐标:分别选择三个最佳定位参考标签,根据式(1),将接收的参考标签RSSI值转化为距离r1o1、r1o2、r1o3和r2o1、r2o2、r2o3,然后以相应标签为圆心,相应RSSI距离为半径画圆,那么阅读器位于这些圆相交所形成的公共区域内,根据式(5)、(6)、(7)列出圆方程组,计算ReaderⅠ对应三角形顶点的坐标(X1A1,Y1A1)、(X1A2,Y1A2)、(X1A3,Y1A3),计算ReaderⅡ对应三角形顶点坐标(X2A1,Y2A1)、(X2A2,Y2A2)、(X2A3,Y2A3),然后根据式(8)、(9)分别计算ReaderⅠ测量坐标(W1x,W1y)和ReaderⅡ测量坐标和(W2x,W2y),其中圆O1与O2圆交点坐标方程组为式(5),圆O2与O3交点坐标方程组为式(6),圆O3与O1交点坐标方程组为式(7);

(5)

(6)

(7)

图4　改进的质心定位算法原理图

(6)提升阅读器测量坐标精度:为提高定位参考标签数据信息的合理性,确定阅读器测量坐标时,着重对圆交点所形成三角形的顶点进行研究,给每个顶点坐标增加权重后,根据式(8~9)计算ReaderⅠ测量坐标(W1x,W1y)和ReaderⅡ测量坐标(W2x,W2y);

(8)

(9)

(7)计算目标物体测量坐标:根据式(10)计算目标物体测量坐标(Wx,Wy)。

(10)

4改进的质心定位算法应用实例

4.1实验环境

实验环境选择研究生实验室,房间大小为4m*6m,实验仪器采用上海网频电子科技有限公司的通用型RFID阅读器和主动式参考标签,设备实时性较好,通讯距离最远100m(空旷空间,可软件设置),圆极化全向性天线,识别速率100张标签/s,具备同时读取200张标签的能力,可直接输出RSSI值,因此适用于室内定位系统。

4.2上位机软件开发

根据图5所示上位机系统流程图,基于Visual Basic 6.0开发图6所示基于RFID改进的室内质心定位系统上位机软件,可以实现目标物体的实时定位等功能。

图5　上位机系统流程图

图6　基于RFID的室内定位系统上位机

4.3实验验证

同一实验环境下,取d0=1m,对同一参考标签分别测其前后左右四个方向的RSSI值30次,取平均值PLd0=-90.4700dBm代入式(1),每隔0.2m测量RSSI值代入式(1)计算n,取平均值n=-2.03代入式(1),得到如图7、8所示曲线关系。

图7　d0与RSSI关系曲线

图8　d与RSSI关系曲线

图9　改进的质心定位算法参考标签分布模型图

图9中ReaderⅠ和ReaderⅡ安装在目标物体中心的前后对称位置处,则两个阅读器实时测量坐标的平均值即为目标物体实时测量坐标,其中RFID实时定位栅格的特征参数L1=1.0000m,W1=0.8000m,L2=0.1000m,W2=0.0800m,则(R,S,P,Q)数据信息如下:1#标签(1,1,1,5),2#标签(1,2,1,8),3#标签(1,3,1,8),4#标签(2,3,1,8),5#标签(2,2,1,10),6#标签(2,1,1,10),ReaderⅠ(1,1,5,10),ReaderⅡ(1,2,5,2),根据式(3)计算各个标签的实际坐标:1#标签实际坐标(T1x,T1y)=(0.0500,0.3600),2#标签实际坐标(T2x,T2y)=(0.0500,1.4000),3#标签实际坐标(T3x,T3y)=(0.0500,2.2000),4#标签实际坐标(T4x,T4y)=(1.0500,2.2000),5#标签实际坐标(T5x,T5y)=(1.0500,1.5600),6#标签实际坐标(T6x,T6y)=(1.0500,0.7600),ReaderⅠ实际

1) 实验环境无杂乱障碍物分布

表1　无障碍物分布距离—RSSI数据表

2) 实验环境有杂乱障碍物分布

表2　有障碍物分布距离—RSSI数据表

同一实验环境中,有杂乱障碍物分布时,从表3中选择1#、2#、6#作为最佳定位参考标签,运用改进的质心定位算法,根据式(5~7)分别计算ReaderⅠ相关圆O1、O2、O3和ReaderⅡ相关圆O1″、O2″、O3″两两相交形成三角形顶点的坐标(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) 实验结果

表3　改进的质心定位算法定位结果分析

表3表明,相对于传统的质心定位算法,本文提出的改进质心定位算法不仅定位精度高,而且适应能力强,实验环境中有无杂乱障碍物的分布对定位精度影响不大。

5结语

本文针对当前常用室内定位算法的不足,将传统的质心定位算法进行改进,提出自适应性较强的定位栅格概念,采用改进的质心定位算法,合理引用更多的参考标签定位信息,实验表明:本文提出的改进质心定位算法定位误差在0.03左右,能够最大限度地减小定位误差,从而提高室内的定位精度,而且在一定程度上提高了系统的柔性和鲁棒性,可以用于机器人室内定位等领域。

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中图分类号TP393.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.01.002

作者简介:杨勇明,男,硕士,实验师,研究方向:机电一体化技术。高国伟,男,硕士研究生,研究方向:机器人技术。白国振,男,硕士,副教授,研究方向:机电一体化。

基金项目:上海市高校青年教师培养资助计划(编号:1014204803)资助。

收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月24日