基于无源UHF RFID的一种室内定位算法

作者:瞿玲玉;杨恒新;张昀 刊名:计算机技术与发展 上传者:王珍

【摘要】最近邻居算法是室内定位的常用算法,该算法简单但是边缘区域定位误差较大使得整个算法性能不高。文中在此算法的基础上引入三边测量法,提出一种适用于无源UHF RFID系统的室内定位混合算法,以期改善该问题。从仿真结果可知:当标签位于边缘区域时,使用最近邻居算法和三边测量法对该标签进行定位的误差都较高,分别为1 m和0.6 m左右;而采用文中所提混合算法时,定位误差不超过0.3 m。结果表明,文中所提算法在边缘区域的定位误差明显小于最近邻居算法和三边测量法,提高了定位精度。

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0引言射频识别(RFID)是一种通过无线通信对物体进行识别的技术。RFID系统的基本组成部分为:阅读器、标签和天线。非视距和非接触是RFID系统的重要优势[1-2]。常用于室内定位的技术有超声波、WiFi和UWB等[3]。与这些技术相比,基于UHFRFID定位系统的成本相对较低。典型的LANDMARC[4]和VIRE[5]系统都是基于有源参考标签来对目标标签进行定位的。与有源RFID系统相比,无源RFID系统的标签无需内置电源且标签较轻,便于携带。衡量定位的重要指标之一是定位误差。而有源RFID定位系统的定位误差较高,需要对其进行改进。文中使用更廉价的无源标签组成的RFID定位系统,并提出混合算法进行定位,改善定位效果。1基于无源UHFRFID的定位原理1.1RFID自由空间传播模型对于无源UHFRFID定位系统而言,由于标签是无源的,所以需要阅读器发射的信号来打开标签的开关。标签通过调制的反向散射信号将标签的身份(ID)等信息发送给阅读器。这就完成了一次阅读器读取标签信息的过程。在自由空间中,这一过程的信号传播模型可表示为[6-7]:Pr=PtG2rG2t4(4)4d4(1)其中,Pr是阅读器接收功率;Pt是阅读器发射功率;Gr是阅读器天线增益;Gt是标签天线增益;是波长;是反向散射传输损耗比率;d是阅读器到标签的距离。1.2信号传播路径损耗模型由于受到背景噪声、温度和湿度等环境因素[7]以及其他一些未知因素的影响,会使得阅读器接收到的功率有损耗。路径损耗可表示为[8-9]:PL(d)=PL(d0)+10nlg(d/d0)+X(2)其中,PL(d)是传播距离为d时的路径损耗,单位为dBm;PL(d0)是传播距离为d0时的路径损耗,d0是参考距离,一般取值为1m;n是路径损耗指数,大小一般为2~4之间;X是零均值、标准差为的高斯随机变量,的大小一般在4~10之间。1.3定位原理阅读器接收到的标签反射信号强度(RSSI)与标签和阅读器之间的距离有关。信号强度越强表示标签离阅读器越近;反之,表示标签离阅读器越远。理论上讲,在二维平面中,需要3个阅读器便可对一个标签进行定位[10-11]。考虑到标签和阅读器之间出现的信号衰减、噪声干扰和障碍物的反射、衍射和散射等因素的影响,为了确保定位的精度要求,文中使用4个阅读器并布置参考标签进行协同定位。2定位算法描述2.1最近邻居算法LANDMARC[4]是首次使用最近邻居(KNN)算法的RFID定位系统,使用有源标签作为参考标签;文中使用该算法却借助无源参考标签对标签进行定位。该算法的基本思想是通过比较RSSI值的大小,由最邻近待定位标签的k个参考标签来确定。待定位标签坐标的估算公式为[12](x,y)=ki=1wi(xi,yi)(3)一般k取值为4。wi是第i个最近参考标签坐标的权重因子,计算公式为wi=1/E2ikj=11/E2j(4)其中,Ei表示第i个最近参考标签与待定位标签之间的欧几里得距离。2.2三边测量法三边测量法是一种几何测量法,是通过测量标签到多个阅读器的距离来确定待测标签的位置坐标[13]。算法原理如图1所示。已知3个阅读器坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3),它们到待测标签的距离分别为d1,d2,d3。由此得到关系式(5),对公式(5)进行化简,可以计算出标签的坐标。图1三边测量法原理图(x1-x)2+(y1-y)2=d21(x2-x)2+(y2-y)2=d22(x3-x)2+(y3-y)2=d{23(5)化简式(5)为二元一次方程组,矩阵表示为Ax=b(6)其中,A=

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