基于RFID的二维室内定位算法的实现
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2020-07-28
21:16:02
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基于基于RFID的二维室内定位算法的实现的二维室内定位算法的实现
为了克服全球定位系统(GPS)对室内定位的盲点，在RFID一维定位的理论基础上推导出二维的室内定位算法，
只需在室内摆放4个参考标签及两个远距RFID读取器即可实现二维定位，大大降低了系统的硬件成本。另外，基
于RFID技术设计了一套嵌入式室内定位系统，通过该系统对二维定位方法进行实验验证，得到远距RFID读取器
的不同二维坐标下的实验数据。
0 引言
目前RFID定位主要采用LANDARC及其衍生的方法。较常采用的方法是在一个二维平面上，每隔1～2 m摆放一个参考标签，
而且需要4个以上的远距RFID读取器，硬件成本较高。本文提出另一种方法，在二维平面上只需使用4个参考标签及2个远距
RFID读取器，即可实现二维室内定位，大大降低了硬件成本并弥补了GPS只能进行室外定位的不足。
1 研究方法
1．1 一维定位
如图1所示，4个电子标签#1～#4摆放位置固定。假设参考标签#1～#4与读取器的距离分别为rx1，rx2，rx3，rx4，读取器接
收到电子标签#1～#4的信号强度指标(RSSI)分别为Sx1，Sx2，Sx3，Sx4。由于在室内，RFID读取器除了接收电子标签直线
传输功率外，也接收了反射功率Pref以及误差功率Perr。因此RFID读取器所接收到源自某一电子标签的总功率Ptotal可表示
为：
式中：Perr为除了反射因素以外所造成的误差；Ptr为电子标签所发射的瞬间功率；Gt，Gr为电子标签及读取器的天线增益；λ
为射频信号波长。
由于信号强度指标RSSI随着功率递增而递增，由式(1)可假设：
但是，实际测量中，很难知道Ptr，Ptotal，Pref，Perr这些参数值。为了实时测量rx的值，可由预先得知的(rx1，Sx1)，
(rx2，Sx2)，(rx3，Sx3)及(rx4，Sx4)四组数据，以多项式来近似式(2)中的f(sx)函数。假设：
由式(5)、(6)可求得系数a0，a1，a2，a3。
实际定位可分为下列步骤：
(1)由图1中位置固定的电子标签，可以得出(rx1，Sx1)，(rx2，Sx2)，(rx3，Sx3)及(rx4，Sx4)四组数据。
(2)由式(5)、(6)及这四组数据可算出多项式的系数a0，a1，a2，a3。
(3)远距读取器所读取的最佳RSSI值是介于0～256的整数值。可用sx值(0<sx<256)，根据式(3)、(4)先算出所估测的距离rx，
然后将已算出的(sx，rx)关系参数存储。待实际测量时，将此关系参数代入即可得到估测的距离rx。
1．2 二维定位
在一维定位的基础上，可继续推导出二维定位的情况。就图2示意图而言，使用二个远距RFID读取器(X，Y)及电子标签#1～
#4。假设待定位电子标签与远距读取器(X，Y)的距离(rX，rY)与RSSI值(sX，sY)的关系由式(7)～(10)描述。其中系数
aX0，aX1，aX2，aX3及aY0，aY1，aY2，aY3可由前述一维定位的方法推导出来。
由于图2中远距读取器(X，Y)之间的距离固定而且已知，根据式(7)～(10)可知二维平面上待定位电子标签的位置。根据此中位
置方法，待定位电子标签的位置也可能是图2中水平轴以下的位置，如虚线所示。为了分辨出图2中待定位电子标签的水平轴
上下两个不同位置，可摆设另一读取器。由于读取器所读到水平轴上电子标签的RSSI值可区分出来，因此可分辨出水平轴以
上及水平轴以下电子标签的位置。
2 二维定位系统设计
该设计整体系统架构如图3所示，服务器执行RFID定位程序，同时开启Socket通信端口，等待接收来自客户端的一维定位数
据。当Serv-er端本身得到一维定位数据，也接收到Client的一维定位数据后，再将最后定结果显示在显示屏上。客户端使用嵌
入式系统(XSCALE架构PXA-270)，主要外围装置有随身碟、控制面板、RFID读取器、IP分配器。当嵌入式系统启动时，挂载
随身碟将指定的数据夹加载到内存，并执行设定的Shell文件，RFID定位程序执行后，开启通信端口并启动RFID模块，当
RFID定位程序得到一维定位数据后，通过局域网传送至Server端。
进行RFID定位系统前，读取器与参考标签必须摆放在固定位置。服务器端主程序启动先读取set．txt文件，以便预先得知参考
标签的卡号以及服务器与参考标签的对应距离。接着，嵌入式系统发送命令至读取器，以便读取参考电子标签的RSSI值，将
所收到的RSSI值储存至各个参考标签专用的阵列里。当多次读取到参考标签的RSSI值以后，根据变异数剔除不合理的RSSI，
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