摘要：本文介紹了可應(yīng)用于室任鍥范ㄎ壞母慕LANDMARC定位系統(tǒng)。該算法在原始算法基礎(chǔ)上對RFID標簽進行分類，同時引入了參考誤差的概念來提高系統(tǒng)定位精度。改進后的算法結(jié)合RF code公司硬件設(shè)備組建定位系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，改進后的算法減少了定位時間，提高了室任鍥返畝ㄎ瘓度。

引言

目前，用于室內(nèi)定位的技術(shù)主要有紅外線定位技術(shù)、WiFi定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)、超寬帶定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)等。其中RFID定位技術(shù)具有非視距傳播、傳輸范圍大、讀寫速度快、安全性高等優(yōu)點，相比其他定位技術(shù)，更適合用于室內(nèi)物品的定位、追蹤。

1 RFID技術(shù)簡介

RFID是一種利用射頻信號通過空間耦合(電感或電磁耦合)實現(xiàn)無接觸的信息傳輸手段，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。

2 LANDMARC系統(tǒng)

為了增加室內(nèi)系統(tǒng)定位精確性而不增加閱讀器數(shù)量，LANDMARC系統(tǒng)引入了位置固定的參考標簽來輔助定位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括4個RF閱讀器、49個參考標簽和9個待定位標簽。

LANDMARC定位技術(shù)采用了在統(tǒng)計學(xué)上稱為“最近鄰居”的思想，選擇了k個信號強度值與待定位標簽相近的參考標簽，利用加權(quán)算法，計算待定位標簽的坐標。算法過程如下。

假設(shè)有n個RF閱讀器，m個參考標簽，u個待跟蹤標簽。定義跟蹤標簽p的信號強度矢量為：Tp=(T1，T2，…，Ti，…，Tn)T。其中Ti表示閱讀器i感知到的跟蹤標簽的信號強度，i∈(1，n)。定義參考標簽q的信號強度矢量為：Rq=(R1，R2，…，Ri，…，Rn)。其中，R1表示參考標簽i的信號強度。跟蹤標簽p和參考標簽q的歐幾里得距離(D)：為：

通過比較D中各分量的值，找出跟蹤標簽p的k個最近鄰居，稱這種方法為k-最近鄰算法。其他u-1跟蹤標簽用同樣的方法找出k個最近鄰居。跟蹤標簽坐標(x，y)可以按下式計算：

3 改進的LANDMARC系統(tǒng)

3.1 改進的LANDMARC系統(tǒng)算法

圖2表示算法改進后的標簽布局。改進算法引入標簽分層的概念，將定位區(qū)域分為若干個小的定位子區(qū)域(Sub Location Area)。每個子區(qū)域由1個主參考標簽(Primary Reference Tag)圖2中灰色圓點和8個相鄰的次參考標簽(Secondary Reference Tag，圖2中白色圓點)組成。改進算法中，分層結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際跟蹤標簽數(shù)量作具體調(diào)整。

算法具體定位過程可以分為如下4個步驟：

①確定跟蹤標簽所在的定位子區(qū)域。假設(shè)有p個主參考標簽，由式(1)、(2)計算跟蹤標簽和主參考標簽之間的距離矢量D=(D1，D2，…，Dp)，對D中各分量排序，最小歐式距離對應(yīng)的主參考標簽所在區(qū)域就是所求的定位子區(qū)域。

②每一個定位子區(qū)域可以進一步分成4個定位區(qū)域，如圖3所示。

假設(shè)在式(1)中確定的主參考標簽為PTk，選取PTk周圍相鄰的8個次參考標簽，計算8個次參考標簽和跟蹤標簽之間的歐氏距離，選出距離跟蹤標簽最近的次參考標簽ST1。在剩余的7個次參考標簽中選出與跟蹤標簽次近的次參考標簽，同時這個標簽必須是ST1的兩個相鄰的標簽之一。這樣確定了1個主參考標簽和2個相鄰的次參考標簽，也就確定跟蹤標簽所在的矩形區(qū)域。由上述定位步驟可知，這個矩形區(qū)域由1個主參考標簽PTk和3個相鄰的次參考標簽(ST1、ST2、ST3)組成。

③使用k-最近鄰算法和加權(quán)算法計算跟蹤標簽的位置。這里式(3)中k=4時：

改進算法把參考標簽分為主參考標簽和次參考標簽這兩層，逐層搜索跟蹤標簽的最近鄰居，實現(xiàn)快速定位。

④為了進一步減小改進算法的定位誤差，提高定位精度，引入修正誤差向量的概念。通常情況下，跟蹤標簽和最近鄰居距離不超過1 m，因此可以近似認為兩者定位誤差向量相同?？梢杂盟拚?5)計算得到的跟蹤標簽坐標。

為了計算修正誤差，首先需要確定距離跟蹤標簽最近的參考標簽，稱為關(guān)鍵參考標簽(Key Reference Tag，KT)。比較主參考標簽PTk和3個相鄰的次參考標簽(ST1、ST2、ST3)到跟蹤標簽的歐式距離，選出關(guān)鍵參考標簽。利用式(2)～(4)計算得到KT的計算坐標(p’，q’)，已知KT的真實坐標為(p，q)，因此可以得到KT的定位誤差向量：

3.2 改進的LANDMARC系統(tǒng)硬件

改進算法選擇RF Code公司的M100標簽和M250閱讀器。M100標簽實物如圖4所示。

M100屬于有源標簽，其典型傳輸范圍為90m，工作頻率為433.92 MHz。M100標簽中安裝了防拆開關(guān)，因此較適合用于物品的跟蹤。在低速狀態(tài)下，標簽電池壽命可達5～7年之久。

M250閱讀器實物如圖5所示。M250閱讀器直接提供射頻信號強度值，可以同時監(jiān)視1400個信標速率為10 s的標簽。

M250閱讀器有多種接口形式傳輸數(shù)據(jù)，可通過USB口、有線以太網(wǎng)接口，也可使用閱讀器內(nèi)部集成的802.11b/g無線網(wǎng)卡。閱讀器支持加密連接(HTTPS和SSH)，并支持以太網(wǎng)供電(PoE)RF Code M250閱讀器產(chǎn)品接口如圖6所示。

實驗中，將M250閱讀器以太網(wǎng)接口連接到路由器的LAN口，采用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。路由器把所有標簽的信號強度數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到后臺處理計算機上。計算機端編程實現(xiàn)RFID定位管理平臺，可通過Internet獲取標簽數(shù)據(jù)，實現(xiàn)節(jié)點的遠程控制和管理，并進行定位參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、定位結(jié)果顯示。定位平臺基于.NET Framework 4.0，采用C#編程語言實現(xiàn)?；?NET Framework 4.0的定位管理平臺如圖7所示。

4 實驗和討論

圖8展示了10次實驗，系統(tǒng)分別應(yīng)用兩種算法得到的誤差比較圖。在第5次實驗中，原始算法誤差為0.97 m，改進算法誤差為0.65 m，改進算法定位誤差減少32.7%。另外，在其余各次實驗中，改進算法也均有10%以上的精度提高，改進算法的定位精度整體高于原始算法。兩種算法誤差比較如圖8所示。

改進算法利用參考誤差修正跟蹤標簽的計算坐標，抵消了部分環(huán)境因素對定位精度產(chǎn)生的干擾，使得改進算法的定位精度優(yōu)于原始算法。

結(jié)語

本文在討論RFID技術(shù)和LANDMARC算法的基礎(chǔ)上，提出了參考標簽的分層結(jié)構(gòu)，并引入參考誤差的概念用于改進原始算法，通過實驗證明改進算法具有更快的定位速度和更高的定位準度，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)物品的定位和管理，具有一定的研究和實際應(yīng)用價值。