RFID定位（精选9篇）
RFID定位 篇1
0 引 言
无线射频识别( RFID) 技术因传播方式非接触、传播过程非视距、硬件成本低廉、定位目标准确而在室内定位中应用广泛[1]。RFID技术的普及,在促进其发展的同时,也为其自身的低成本技术、小型化技术、一体集成化技术和防碰撞技术等技术领域带来了一些新的挑战。掌握RFID定位算法的原理与应用背景,设计出一种环境普适的室内定位算法和标签( tag) 防碰撞算法,对室内定位技术的进一步发展,具有重大的现实意义。
1 射频识别系统简介
RFID系统的基本结构包括两个网络,即传感网络和数据传输网络。
传感网络由读写器和电子标签阵列组成。读写器分为只读和读写两种,是定位系统数据处理和控制中心。读写器在RFID工作的覆盖区域内,能发射射频信号,使区域内布置好的电子标签( tag) 被激发。tag被激发后,会返回其中的数据,并能通过接口与电脑网络进行通信。
电子tag根据获取能量途径的不同有三种分类,即有源、无源和半有源电子tag。有源标签配有电池,无源标签不配带电池,半有源标签可以使用电池也可以不使用电池工作。按照频率由大到小,又可分作微波、超高频、高频及低频电子tag。
数据传输网络组成分为两部分,即服务器和其与读写器的连接[2]。数据的传送包含两方面: 一方面是用户产生的指令信号通过服务器产生并传送给传感网络; 另一方面是读写器把接收到的数据返回给服务器。最后由服务器通过算法计算出待定位tag的位置。服务器与读写器的连接方式也有2种,即: 有线连接、无线连接。RFID的基本的结构可以用图1表示。
2 RFID 定位系统及方法研究
基于测量技术不同,室内定位方法分为: “接收的信号强度方法[3]( RSSI) ”、“到达角度 方法 ( AOA) ”、“到达时间 方法 ( TOA) ”与“到达时间差方法( TDOA) ”[4]。
不同的定位系统对测量方法的选用是不同的,下面具体介绍几种常见的RFID定位系统及其定位方法的原理和选用。
2. 1 RSSI 方法及其应用系统
RSSI法是将测得的信号强度采用经验模型模拟信号路径耗损,计算目标距离,利用定位算法得到目标坐标的定位方法。 这里所需的信号的衰减经验模型,可实验得到或理论推导。实验证实,RSSI法能在一定程度上抵消多径效应的影响,更适合于室内环境。[5]目前不少RFID系统都运用RSSI方法。但在室内无线电传播时有很多干扰因素,如衰减、绕射等。这些因素都影响RSSI方法的定位的精度[6]。
RSSI损耗模型公式:
式中,D为定位tag与参考tag的距离; μ 为损耗指数; x是以 σ 为标准差的零均值的正态分布随机变量; PD为距离D是的RSSI值,D0为参考距离。
LANDMARC系统[7]为其典型应用。该系统采用 “最近邻距离”( k NN) 方法,在定位区间设定坐标已知的参考tag。参考tag与待定位tag的欧氏距离计算公式:
式中,φi是阅读器( 第i个) 所读取的待定位的tag的信号强度, n为阅读器数,k,i是该阅读器读取到参考tag k的信号强度,EK表示的是未知tag和参考tag的“欧氏距离”。待定位tag的坐标可由下面的公式推算出来:
其中:
不难看出,E值最小的参考tag权重最大。LANDMARC系统成本廉价,能更好地适应变化的环境,获得的位置信息更加准确可靠,但由于计算时间较长,系统实时性较差。
2. 2 AOA 法及其应用系统
AOA定位的思想是利用测量RF信号到达方向与天线的角度完成定位。AOA方法初始定位时,仅仅需要配置两个天线阵列,相比于TOA和TDOA等,它的结构简单,但对天线的灵敏度和分辨率要求要高。而RFID技术目前无法达到此要求,因此AOA方法不是RFID的主流方法。但随着智能天线技术的发展将其运用到RFID设备上,可以提高天线的角度分辨率,AOA方法也可能会得到较快发展。
AOA方法计算公式:
式中,h是两组阅读器连线的中心间距,ω1和 ω2是据两线和tag估算的波达角。
RSP系统为其典型应用,该系统通过计算阅读器间的相位差,得到移动tag的方向。采集数据后,利用最小二乘法进行定位设计。
2. 3 TOA 法及其应用系统
TOA方法是在假设已知信号传播速度的条件下,测量信号从参考点发出到移动端接到的时间,计算出移动端和参考点间距。TOA方法主要有如下缺点: 一是发射、接收的同步问题; 二是无线信号的传输时间戳的问题,加戳有助于传播距离的测量。 经常在信号传播慢、定位区域大的情况下采用。
TOA方法计算公式:
式中,Tsys为系统延迟,Tcab是接收天线缆线造成的延迟,Tsa为tag的延迟值。
表面波识别系统( SAW ID-tags) 为其典型应用。该系统采用无源tag,通过编码可能性技术和脉冲压缩查询tag的逆时间脉冲响应并重新发送相关的信号。重新发送的信号拥有自相关峰值,幅度响应最大的tag即为所求tag。
2. 4 TDOA 法及其应用系统
TDOA方法要求同时发射两种信号 ( 速度不一样) ,计算传到接收机的时间差,进而求解参考端与接收机的距离,求解坐标。TDOA测量时不需要知道传播时间的具体数值,可一定程度减少计算时带来的误差,它的定位的精度较TOA好,可是需要限制功率,附近的点只接受到很小的功率,这会带来测量上的误差。总而言之,TDOA改进了TOA,它对设备在时间上的同步要求不再严格,提高了定位准确程度的同时,也使定位的复杂性降低。
TDOA算法计算公式:
式中,T为选择的测量标签,tT为其响应时间,td为R阅读器接收到信号的时间差值,RT为固定位置的已知参考标签,tRT为该参考标签的相应时间,co为常数。最后通过加权均方法进行tag的位置的估计[8]。
LPM( 本地定位测量系统)[9]为其典型应用。该系统设定在阅读器同步且参考tag均工作正常时,测量tag在时间tT的响应。
VIRE、Simplex、Spot ON系统等[10,11,12]也是较常用的RFID的应用系统,表1将对其进行介绍,在此不再赘述。现将常见的室内定位系统标签的选用、定位方法的选择、适用性及定位范围等参数总结归纳,如表1所示。
3 RFID 定位算法
3. 1 RFID 定位算法分类及特点
基于RFID的室内定位方式大体上可以划分为四类: ( 1) 三边定位: 用至少三个已知位置坐标的点与待定位目标的距离来实现对待定位目标的定位。文献[13]提出了一种基于三边测量的参考节点选择算法( RNST) ,该定位算法适用性比较广泛, 但精度不高,适用要求不高的场合。( 2) 角度定位: 通过测量两个以上已知坐标的相关点与待定位目标的角度来定位。文献 [14]提出了一种基于角度的定位算法,精度较高,但易受多径效应的影响且硬件要求较高; ( 3) 指纹定位: 分为离线阶段和在线阶段,离线阶段训练射频信号样本,建立数据库; 在线阶段将测量的信号与指纹库中的信号进行比对,实现定位。文献[15] 提出一种指纹定位算法,根据所需的空间密度的指纹和所需的样本数量,在跟踪或信号映射建立的同时,区分信号分布,估计位置信息。( 4) 邻域定位: 采用射频特性测量出一系列位置已知的相邻点集。选用标签或者阅读器作为待定位目标均可。
相比于其他算法,基于RSSI的定位方法更容易实现,对阅读器接收同步要求比较低,拥有较好的适用性。LANDMARC算法是基于RSSI针对移动tag的邻域定位方法的典型应用方案。 因此下面重点讨论LANDMARC算法。
3. 2 LANDMARC———k NN 算法及改进分析
LANDMARC是被广泛应用于tag定位的室内定位系统。 LANDMARC系统的核心为“k NN”算法[16],即: 在n个样本中, 找出X的K个近邻。该算法简单易懂,精确性高,故采用率较高。KNN算法的计算流程如下:
步骤1取X[1]~ X[m]为待测X的初始近邻,计算与X间的欧式距离D( X,A[i]) ,i = 1 ~ m;
步骤2按D( X,A[i]) 升序排列( 可用冒泡排序法) ;
步骤3取出“欧氏距离”最小的k个值;
步骤4根据选取的k个坐标进行加权计算,求出待定位tag的坐标。
近年来,LANDMARC算法不断得到改进,例如: 文献[17] 提出了一种改进最近邻居算法( IKNN) ,该算法引入了“预估位置”的概念,通过三点定位测出目标tag的预估位置,比较与预估位置的距离选取最近邻居。IKNN算法与原KNN算法相比, 平均误差减少了9. 8% ; 文献[18]提出一种环境自适应的虚拟参考tag的定位方法,该方法在K近邻的选取时加入了自校正的功能,平均误差小于三米的概率达到99% 。未来LANDMARC算法在如何降低系统硬件成本及减少冗余信息方面、如何进行虚拟标签布局及提高正向精度方面有待进一步研究。
4 防碰撞算法
防碰撞问题在室内定位中是不可避免的,而防碰撞算法的好坏也直接影响系统的定位性能。总体上看,阅读器( Reader) 碰撞和标签( tag) 碰撞是RFID中涉及的两种碰撞方式。Reader碰撞的机会比较少并且有较好的处理办法,tag防碰撞问题相对不易解决。tag防碰撞的常用的方法有: “空分多路法”、“码分多路法”以及“频分多路法”、“时分多路法”[19,20,21,22]。目前,多数防碰撞算法的理论基础是“时分多路”思想,著名的有Aloha算法和二进制搜索法。
Aloha算法简便,较早应用于RFID系统中,这种算法的基本思路是射频tag随机选择不同的时隙把一些数据发送给阅读器,来避免发生碰撞。算法的缺陷是当阅读器的工作范围内的电子tag突然大幅度增加的时候,所带来的碰撞次数和碰撞概率都剧增,这样系统对于防碰撞的性能就会大大降低,信道的利用率下降。在Aloha算法的基础上,将信道划分为固定时隙的帧时隙Aloha算法,使吞吐率翻了一番。后来,人们又提出了动态时隙Aloha ,在时隙Aloha的基础上使用可变数量的时隙数; SuRyun Lee等提出一种增强型的动态帧时隙的Aloha[23],当tag和时隙有相同数量时,吞吐率最大达36. 8% ; 总之,以时隙随机分派为基的Aloha不复杂,不难实现,应用于成本低的RFID系统。
通过多次比较把不相同的序号挑选出来是二进制搜索法的核心。这种算法通信量大,系统的识别时间较长识别率并不高, 在大量tag场合适用。我国的学者也提出了很多基于二进制算法的改良算法,例如: 余松森等人先后提出了“后退式索引的二进制树形搜索”算法[24],“修剪枝的二进制树形搜索”算法[25]。 东南大学的武强等提出“ UFH频段的二进制防碰撞算法”等, 使二进制搜索法趋于完善[26]。
通过不断对防碰撞算法进行改进、优化,在克服算法本身问题的同时不可避免地带来了一些新的困难,进而促进了防碰撞算法的发展。表2列举出了最具代表性的tag防碰撞算法的发展历程、技术难点和改进方向。
综上所述,“基于树的防碰撞算法”有较高的识别率,而“基于ALOHA的算法”实时性比较好,我们可以整合它们的优点、 缺点选择合适的算法,如: “ALOHA类”主要用于较少的tag,而 “二进制类”则在tag较多时经常使用。另外,全球的专家们提出了很多创新的“混合的算法”,将这些算法的优点整合,使系统性能升级。现在比较主流的有两种整合思想: 时间分离的思想( 双时隙) ,它是针对树的算法基础上进行的; 二进制分离思想,它是建立于“ALOHA ”的基础上,对碰撞的时隙使用[27]。
5 结 语
本文详细总结了RFID系统的特性、工作原理、定位方法,并重点对各定位算法以及定位过程中存在的tag防碰撞算法的发展情况和算法原理进行了比较和分析。相比于AOA、TOA、 TDOA等定位方法,基于RSSI的定位方法抗干扰性相对较高, 更容易实现。LANDMARC系统结构简单、方便灵活、定位精度高,是RSSI定位的首选。标签防碰撞算法中,基于树的防碰撞算法识别率较高,基于ALOHA的算法实时性较好,在实际应用中,应综合考虑他们的优缺点,标签较少时,可优先选择ALOHA算法,而在标签较多时,可以考虑使用二进制树防碰撞算法。复杂环境下,可以采用二者的混合算法,可以达到更高的定位精度。目前,RFID定位技术已成功实现矿井人员定位、监狱人员定位和医院病人定位管理,有效地减少了矿难的发生,加强了对犯人和病人的监管。随着RFID技术不断向着小型化、集成化、智能化的方向发展,RFID室内定位将应用于精度要求更高、更复杂的环境。以不增加成本和系统复杂性为前提,提高系统的实时性、稳定性、识别准确性和定位精度,是RFID硬件技术和算法研究的趋向和意义所在。
RFID定位 篇2
RFID大客流定位管理统计系统
设计方案
一、概述
主题公园，博物馆，艺术馆，医疗机构，各类会展等都涉及大客流的管理疏导，过去主要靠人工监控客流情况，技术上最多利用摄像头监控辅助了解各个区域客流情况，进行人工干预。随着物联网技术的发展，尤其是RFID技术的成熟，对人员的实时监控管理有了新的技术手段，使得大客流的管理更加科学化，自动化。
RFID定位技术已经成功运用于物流管理，煤矿井下人员定位，车辆管理等方面，随着经济的发展，尤其是上海世博会的成功举行，大型会展，各种公园景点吸引越来越多人的参观游览，使我们意识到对大客流，多人员聚集的监控管理统计急需在技术上有新的突破，为此我们上海慧物智能科技有限公司（以下简称‘上海慧物’）开发了RFID大客流定位管理统计系统。
该系统主要利用植入门票中的RFID芯片，结合安装于各景点，展台，作品，橱窗等处的传感器，通过读取各个位置上人员随身门票中的RFID芯片信息，统计各处人员聚集情况，流动顺序，通过对这些信息的分析，及时调整人流数量，方向。对数据的统计，通过分析客人的兴趣还能用于对展台，景点，橱窗等的安排，提高效率和经济效益。
三、系统功能及特点
3.1功能
3.1.1人员身份识别定位
通过安装于各展台，作品等处的传感器读取门票，参观证和工作证中RFID卡内的编号，在数据库中核对人员信息，以区分人员身份，包括成人游客，儿童游客，贵宾，工作人员等的身份识别，并根据传感器物理发布情况，确定人员所处位置，进行相应的处置，并将人员身份和位置信息储存于数据库服务器，便于日后统计分析。
3.1.2客流监控疏导
根据获取的各人员位置信息，系统实时统计各入口，通道，展厅等区域人员数量，及时在监控终端通过声音等提示对拥挤位置预警，安排工作人员疏导客流，提高人流速度，提高参观人数，杜绝安全隐患。
3.1.3安全监控
对一些禁止游客，参观者进入的场所，危险区域，特定参观区域，贵重展品可以通过安装的传感器读取卡内编号，通过系统核实该人员身份，及时报警，提示注意；对人员拥堵区域及时预警，安排工作人员疏通客流，避免引发踩踏等恶性事件，提高场馆安全。
3.1.4统计分析
对数据服务器数据库历史数据的挖掘分析，生成各类统计报表，分析客流人员构成，行为模式，消费模式，各展品或展台停留时间，关注人数，客流高峰时段等，便于管理组织者合理安排展厅，参观项目，排列顺序，提高参观人数，提高场馆利用率，创造更好的经济效益。
3.2系统特点
3.2.1人员识别的高可靠性
高度的识别可靠性，100%的前端识别率；
极高的防冲突性，能同时识别多个人员；
高度的识别稳定性（误码率小于10万分之1）；
3.2.2客流监控的实时性
采用L-H调度算法优化系统数据处理能力
各传感器实时上传给服务器读到的RFID卡编号，网络数据量小，不存在传输延迟，数据库服务器处理能力强，前端管理系统能及时处理所有数
据，在监控终端实时反映现场情况。
3.2.3强大的数据统计分析能力
优秀的数据分析算法，强大的前端报表生成能力。
3.2.4安装实施的方便性
传感器一体化结构设计，无需外接天线或地感；
有成熟的安装支架，安装流程。
3.2.5系统运行的稳定性
高抗干扰性；
内部电路高度集成化，器件故障率最小化。
四、系统结构及原理
4.1 含RFID标签的门票，参观证，工作证
每个RFID标签都有唯一编码，当进入传感器识别范围时，接受到传感器发出的微波识别问询信号后，发射给传感器携带自身编号的信号。
4.2 安装于各展台场馆的RFID无线标签传感器
传感器连续发射射频信号，当含RFID标签的门票，参观证，工作证进入射频信号范围，反馈自身编号后，通过通讯电缆将编号上传给数据服务器。
4.3 数据采集服务器
将接受自RFID无线标签传感器的标签编号实时记录进数据库，便于前端管理分析软件处理
4.4 监控终端
通过安装于各工作站的前端软件，实时获得展厅场馆的客流信息，并生成各类统计报表。
入口入口
2携带RFID标签的参观者
携带RFID标签的VIP参观者
管理人员
安保人员
RFID传感器
五、结束语
RFID定位 篇3
关键词：RFID图书管理系统；图书定位；排架方式；图书馆
中图分类号： G250.7 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-13-2
0 引言
从原理上分析，RFID技术在图书清点、上架、倒架等方面，尤其独特的作用与效果。运用RFID技术，可借助电子标签，来对图书信息的快速获取，进而能够对图书清点问题做到有效解决，然而，在图书上架、整架、倒架方面，却有着一些不足之处，通过研究分析，其与RFID图书管理系统使用的定位排架方式有关，本文就此探究。
1 图书定位排架的分类及意义
1.1 图书定位排架分类
所谓的图书馆定位排架，即是图书馆根据拟定次序，将图书排放在书架之上，从而便于图书的使用及管理。
一般来说，图书定位排架有两种方式：
一是内容排架，也就是根据图书内容特征为依据来进行排架，其又可划分为专题与分类排架两种方法；
二是形式排架，也就是根据图书外部特征为依据来进行排架，其又可划分为装帧形式、登录号、字顺排架等三种方法。
1.2 图书定位排架意义
不论是何种排架方法，均存在自己的适用范围，在我国，分类排架方式在各个图书馆中应用最多。对于分类排架方式来说，其作为科学分类体系为主体的排架方式，每本图书上的分类排架号，均包含一个分类号及一个辅助号，两组号码所组成。通过这个分类排架号，便能够找到图书在书架上的对应位置。该方法在应用时，能够根据图书内容，将其划分到对应学科体系当中，进而能够使图书成为既具备内在联系，又具备层次级别的逻辑体系。在定位排架时，分类号能够将相同学科的图书归纳到一块，同时又把不同内容的图书划分开来，使每一本图书，都有其自己的位置。在获得图书的分类排架号之后，便能够在书架上找到其对应位置，因此，分类排架号，也被人们称作为索书号。其在图书上架、倒架、整架及图书定位方面，有着极大的作用及应用效果。
2 RFID管理系统中常见的两种图书定位方式
2.1 绑定式图书定位方式
当前，一些图书馆在对RFID技术进行应用时，采取人为绑定图书与书架位置的方式，来完成图书位置的确定，该方法在应用时，原理较为简单，其定位操作和图书在编目过程中所产生的分类排架号并没有关联，通常分为两个步骤。第一步将书架的最小单元作为一组图书的定位单元，并对其给定一个RFID标签，即为层架标，然后再将对应位置设定为计算机可以读取的机器码，进而将机器码编入到RFID层架标或者是数据库和层架标相关的字段当中；第二步是把书架上面每一格当中的RFID标签与层架标联系起来，这种联系方式可以写入数据库该图书相关字段，也可以是层架标信息写入到图书RFID标签。该步骤也是书架上图书的图书架位信息采集。在这两项工作完成之后，便能够将书架与图书绑定起来。
2.2 分类排架号图书定位方式
RFID技术没有出现之前，很多图书馆便是采用分类排架号的方式，来完成图书在书架上的定位过程。对于分类排架号来说，其本身即是一种序号，因此，不管是书架上的哪一格，图书的排列都是根据次序进行，任何一格，均存在一本确定的图书放在首位，这样，相邻格单元的首位图书便能够得到确定，进而使得每本图书对应的格单元，也能够得到确定。在RFID技术出现之前，图书馆便采用这种方式完成上架等工作。该方式在应用时，原理也较为简单。包含两个步骤，其中第一步与绑定式图书定位方式相同；第二步是将格单元首位图书RFID标签与格单元的层架标联系起来，对于其他图书的定位数据，即是借助图书分类排架号的有序性，通过分类排架号来进行计算，并将计算结果放入数据库当中。
3 两种排架定位方式对图书管理与读者阅读的影响
3.1 对图书管理的影响
3.1.1 对图书上架的影响
图书上架，便是将读者阅读完所归还的图书，放回在书架上，便是图书上架。对于绑定式图书定位方式来说，其在上架时，需借助专业设备，完成对图书绑定位置的检查，若是已绑定完成，只需要根据提示信息把图书上架即可，若是没有绑定，则需要先完成绑定，再进行上架。对于分类排架号图书定位方式来说，其在上架时，并不需要借助专业设备，只需要借助常规方式完成上架便可。在实际应用过程中，利用分类排架号图书定位方式完成上架，更为方便、快捷，只需要根据英文字母与数字顺序，便能够完成图书上架。
3.1.2 对图书倒架的影响
图书倒架，即是单元格内图书放满之后，需要对其位置做出调整，便是图书倒架。对于绑定式图书定位方式来说，其在倒架时，需借助智能书车完成数据采集，然后再把图书绑定再书架上。对于分类排架号图书定位方式来说，其在倒架时，需把倒架之后的首位图书数据和层架标联系起来，并不需要对图书数据进行读取，只需要完成格单元首位图书确定后，便能够根据分类排架号计算出定位，从而省略了图书数据采集过程。因此，当涉及大批图书倒架时，用分类排架号图书定位方式更为快速、便捷。
3.1.3 对图书整架的影响
所谓的图书整架，就是对书架上存放的图书位置实施检查，观察其所处的位置有没有出现错误，另外，还需要将已经发生位置错误的图书，还原到原先位置上，这一整过程，便是图书整架。绑定式图书定位方式在应用时，只有在智能书车的辅助之下，方可完成对图书数据的获取，然后将获取的数据与之前的数据相比较，若是与原先书籍数据对不上，则表示图书出现了错架情况。然而，分类排架号图书定位方式在应用时，其采取的措施，是把图书分类排架号和图书分类排架号实施比较，若是发现两种排架号出现不同，即是说明出现了错架问题。另外，在对图书进行整架时，还能够发现在编目加工时出现的错误，例如将书标张贴错误。通常，这类错误难以得到重视，但是运用分类排架号图书定位方式，变能够在整架的同时，对这类问题出现的错误，做到轻易发现。但是若是使用绑定式图书定位方式来实施定位，便难以对这一问题做到有效发现。
3.2 对读者阅读图书的影响
不管对于图书馆来说，是采用哪一种方式来对图书进行定位，对于喜欢使用OPAC来完成图书查找，并利用OPAC提供的信息，来找到目标图书的读者来讲，每一种定位方式起到的效果都是一样。这是由于不管采取何种定位方式，读者都能够根据OPAC提供的信息，来完成对图书的寻找。而对于喜欢采取通过书架来寻找图书的读者来说，每一种定位方式所对应的效果变会存在很大的差别，例如在分类排架号来对图书实施定位时，主要是对排架号有序性进行运用，这样客户在通过书架寻找图书时，能够向客户推荐更多同类的书籍。
4 总结
通过上述文章不难看出，想要做好RFID图书管理系统的图书定位排架工作，首先就一定要详细了解其排架方式，针对不同的方式，了解其优缺点。文章中的两种定位排架方式分别存在其优缺点，在具体的应用过程中为图书馆及读者带来的体验也存在差别。因此，相关人员一定要在认识到两者的不同特点的基础上，根据自身的需要及读者的需要对两种图书定位排架方式进行选择，以提高图书馆工作效率。
参 考 文 献
[1] 马瑞.RFID智能书车系统——图书馆智能化新元素[J].图书馆学刊，2009（04）.
[2] 江波，吴永祥.图书馆RFID系统建设中的图书定位问题研究[J].现代情报，2015（05）.
[3] 应贤军，周燕.浅谈RFID管理系统图书加工定位的方法——以宁波职业技术学院为例[J].内蒙古科技与经济，2013（06）.
基于RFID的室内定位技术研究 篇4
关键词：室内定位,RFID,研究,应用
1 无线射频识别系统
阅读器(Reader),电子标签(Tag),定位算法及数据处理终端四部分组成了一个完整的RFID系统。
阅读器主要分手持式和固定式两种,其又称为读写器或扫描器,在整个系统中扮演着重要角色,是RFID系统的信息控制和分析处理中心,可以为单独个体,也可嵌入其他系统中,可无接触地读取和识别电子标签中的数据内容,如图1所示。
电子标签按其内部有无电源提供能量分为有源标签,半有源标签和无源标签等,按工作频率不同又可分为为低频,高频,超高频,微波等。其作用首先是保证物品信息的安全性和完整性,其嵌入内部的芯片可对接收信号进行解码、解调,将信号进行编码与调制,反馈给阅读器,从天线收集阅读器辐射到空间并发送出去。其原理如图2所示。
关于定位算法,目前RFID定位的开发多以主动式为主,室内环境下无线信号易折射、反射和发生严重的多径效应,故目前还没很好的室内环境下信号传播模型。除位置指纹算法外,在室内定位中还使用三角定位算法及邻近算法,分别属于基于场景定位、基于测距定位和邻近算法定位。
2 RFID系统的基本工作原理
文章以较常见的RSSI为例进行阐述。采用此方法时,基站要能够覆盖室内整个范围,当某个标签临近某基站时,此基站获得信号强度就最强,依据相近优先原则,就能容易判断它的位置,如图3所示。
3 常用技术分析
电子标签的工作频率决定了整个系统的工作频段,现将不同频率的系统技术参数比较如表1所示。
从表1不难看出,从识别距离、防碰撞性能、识别速度、数据传输速率等方面综合判断,超高频更适合室内定位。
LANDMARC系统是以RFID为基础,采用最少的阅读器的情况下增加低成本的参考标签实现提高定位精度。该系统通过“临近算法”来建立能量等级和信号强度之间的数学关系,因为在系统可测距离中,当前的RFID系统不能直接提供标签的信号强度而只能检测到信号的强度等级。
假定系统中阅读器在正常运行模式下30秒检测一次,能量等级1~8级,存在m个参考标签,n个阅读器及u个待定位标签。定义对应信号强度θ=(θ1,θ2,...,θn),θi为参考标签在第i阅读器上的信号强度。S=(S1,S2,...,Sn),Si为第i个阅读器检测到的待定位标签信号强度。对于每个独立的待定位标签p,可以定义Ej=,j∈(1,m),E表示待定位标签与参考标签间的关系距离越短,则E越小。
决定未知标签位置的关键有参考标签的数量、位置及每次参考表的权重。未知标签坐标(x,y)=,ωi为第i个临近参考标签的权重。由于平均分配权重易造成较大误差,故根据实验列出权重分配公式ωj=,E越小但权重越大。而定位误差由算出,x、y是待定位标签的计算坐标,x0、y0是待定位标签的实际坐标。
4 RFID系统的应用及研究发展方向
在信息化导游系统中,最新采用RFID技术开发出的一款产品有着诸优点多,实现了自动带领观众前往指定展区,讲解过程中有音频、文字、视频等介绍,提高参观热情,提供统一的讲解,自行制定路线,满足参观人员的需求,保持观众的个性化参观要求。
硬件方面,该讲解机器人主要由以下部分组成:单片机模块、机器人运动控制模块、RFID综合控制模块。整个系统由高性能单片机为核心,外部加以声音模块、无线接收模块、LCD显示模块构成讲解系统,并通过双摄像头实现位置定位和道路指引。直流电机、电机驱动模块、电源等组成机器人的运动控制模块,通过单片机进行控制来驱动机器人运动。系统工作时通过无线向机器人送入指令,机器人收到指令后决定到何处讲解点进行讲解及讲解什么内容。然后单片机驱动电机向目标前进,并通过摄像头实时检测当前所在位置,直到到达目的地后停止,并开始讲解内容。讲解完成后等待下一次的指令。
参考文献
[1]王一乐.基于RFID的室内定位方法研究与应用[M].西安:西安理工大学,2010.
[2]赵刚.基于RFID的室内定位算法研究[M].南昌:南昌航空大学,2013.
一种基于RFID的定位方法 篇5
随着无线技术深入发展,实时定位(RTLS)自然而然的就被提了出来。RFID(Radio Frequeney Identifieation)具有非接触性、抗干扰性强、定位快、识别距离远及非视距定位等特性,从而成为RTLS的主要研究方向之一[1]。
目前比较典型的RFID实时定位系统,主要有3D-ID[2]、Spot ON[3]及LANDMARC[4]。其中,LANDMARC系统最为典型,可行性最高。LAND-MARC系统引入了参考标签的概念,是将RFID技术应用到室内定位当中并搭建起完整系统、取得较好定位精度的首次尝试。通过使用参考标签代替一部分RFID读写器,使RFID成为一种有成本效益的定位技术[5]。但是其定位范围过小,如果在室外进行大范围的定位依旧要使用大量的RFID读写器,整套定位系统的组建成本就会相当高,失去可行性。
针对这种情况,提出一种新的RFID定位方法,具体来说是使用有源RFID系统,使一个RFID阅读器的天线在定位区域中心从一个基准位置按一定角速度旋转,然后读取各个待定位标签的RSSI值,根据RSSI值的大小变化的曲线得出标签和阅读器的距离以及相对基准位置的角度,从而实现定位。
1 改进的对数路径损耗模型
对于RFID定位,主要就是利用阅读器读回的待定位标签的RSSI值,然后根据RSSI值与距离的关系得到距离值,或者用一些算法处理得到有用的信息,然后再运用一些定位算法得到方位。
由于环境中各种因素的影响,RSSI值与距离的关系并不是一一对应的函数关系,这也是RFID定位难的主要问题之一。
1.1 对数路径距离损耗模型
对数路径损耗模型是一种比较常见的模型,它能够较好地表示RSSI值与距离之间的关系,公式如下:
式中,Pt为信号的发射功率,PL(d)为标签或RFID信号传输距离d时的损耗,Pr(d)为RFID信号传输距离d时的信号的功率强度,Xσ为噪声,d0为参考点,n为路径损耗指数,Xσ又被称为阴影衰落[6]。
1.2 改进的对数路径损耗模型
本文定位方法采用的是有源标签发射定位信号,阅读器读取信号,并对接收到的信号进行相应处理,从而实现对标签的定位操作。鉴于如今市面上识读100 m左右的RFID系统已经非常多,成本也不高,本文提出了采用有源RFID系统进行定位的方法,标签的发射功率一般为0 dbm,定位范围为直径100 m的圆形区域,利用对数路径损耗模型,于是有:
又由Friis公式可知:
式中,PT为RFID信号发射功率,GT为发射RFID信号的天线的增益,GR为接收RFID信号的天线的增益,c为光速,f为RFID信号的频率[7]。再根据雷达原理可知RFID阅读器天线方向图可以用如下辛克函数来近似[8]:
式中,θ0为天线的零功率波束宽度。于是有(d Bm表示取分贝):
根据参考文献[8]即《基于对数距离路径损耗模型下的路径损耗指数研究》中的数据可知,在d=0.5 m,PT=12 d Bm,f=935.4 MHz时,有n=2.699 6,Xσ~(0,26.799 33)[9]。
显然,无论PT值为多少,在环境不变的情况下,只要d=0.5 m,f=935.4 MHz,那么依旧有n=2.699 6,Xσ~(0,26.799 33)。一般来说远距离有源RFID系统,PT=0 dbm,GT=0 dbm,GR=12 dbi,f一般在935 MHz频段或2.4 GHz频段内。文中,假设使用935.4 MHz(一方面,935.4 MHz相对于来说更成熟,组建成本低;另一方面,2.4 GHz的产品性能更好,如果935.4 MHz可行,那么2.4 GHz肯定是可行的,因此本文选取935.4 MHz进行考察)。θ0对于远距离RFID来说一般为60°~90°,本文取中间值75°。
把d=0.5 m,f=935.4 MHz,n=2.699 6,Xσ~(0,26.799 33),,θ0=75°及式(2)代入式(1)得:
由于Xσ~(0,26.799 33),所以:
当d=80 m时,有:
若最大值在0°处,则上式的RSSI值从-180°~180°的分布大致如图1所示(一般来说有源RFID系统的阅读器接受灵敏度一般在-90 d Bm左右,所以,对于所有小于-90 d Bm的RSSI值统一设为-90 d Bm)。
本文以RFID天线主轴收到的RSSI值与d的关系来求距离。当天线主轴对准标签时,θ=0°,所以有如下RSSI与d的关系式:
RSSI与d的关系如图2所示。
2 利用最大值法求标签方位
2.1 最大值法求角度
因为在RFID标签和阅读器正好相对时,阅读器收到的RSSI值应该是最大的,即:若f(θ)为阅读器旋转一周后读到的某RFID标签的RSSI值函数,且f(θ0)=max(f(θ)),则θ0即为所求的角度。
本文使用matlab对最大值法进行100次试验仿真,观察效果如图3所示。
虽然最大值法可以用来求得角度,但是效果并不好,大部分的结果都明显偏离实际的角度,个别仿真结果的误差达到了50°,甚至超过100°,接近150°,这样的精度用来定位是不行的,明显满足不了实际的应用。于是,采用一种改进的最大值法来定位———先使用小波去噪的方法对采集的RSSI数据做去噪声处理,然后再使用最大值法来求得角度。
2.2 最大值法求距离
本文先进行100次蒙特卡罗实验得到了d=50 m时,RSSI的平均值为-67.335 0 dbm。然后以这个RSSI值为标准,再进行100次仿真,得到距离误差如上图4所示。可以发现用该方法求得的距离误差很大,显然这个测距精度是无法满足要求的,所以本文采用一种改进的测距方法。改进的测距方法如下:
(1)进行1次蒙特卡罗实验,得倒RSSI与距离的具体关系。然后进行小波去噪得到去除噪声后的RSSI与距离的关系式;
(2)重复(1)足够次数,然后求得每个距离对应的RSSI的各次蒙特卡罗试验的值的平均值;
(3)使用(2)中得倒的RSSI平均值与距离的关系式,进行仿真实验,看效果如何。
注:在仿真实验中求距离前,也要先使用小波去噪处理仿真得到的RSSI值。
3 改进的最大值法求标签方位
3.1 小波去噪
小波阈值去噪的过程如图5所示,小波分解时要确定小波基以及分解层数,在阈值处理时要确定阈值λ的选取规则,以及使用何种阈值函数。
(1)小波基的选择:一般来说d BN,sym N小波是去噪中使用较多的小波基,去噪效果较为理想,在大量的仿真实验的基础上发现,sym5小波对于本文中的定位方法效果较好。
(2)分解层数的选择:在分解层数为2时,去噪信号最接近原信号;但是,在分解层数为4时,去噪信号虽然与原信号出现了较大的失真,但是天线信号副瓣得到了非常好的抑制,有利于定位,所以本文使用4层小波分解。
(3)阈值函数:较常见的有软阈值函数和硬阈值函数2种,以及在此基础上的一些变形阈值函数。一般来说,软阈值法获得的重构信号具有更好的光滑性,但是误差相对较大。硬阈值方法获得的重构信号具有更好的逼近性,但是有附加震荡。但是,本文使用的是最大值法求角度与距离,所以,对震荡非常敏感,故使用软阈值函数。
(4)阈值λ的选取规则:使用由DonohoJohnstone提出的固定阈值模型,阈值由公式给出:,式中n为信号的长度,这个公式计算量相较其他阈值选取方法小很多,同时又有非常好的去噪效果[10]。
3.2 仿真结果
先使用小波去噪,再用最大值法求角度与距离,对求角度的100次蒙特卡罗实验进行分析。图6为进行4层分解的小波去噪的仿真图,图7为改进最大值法求角度的误差仿真图(正数表示求得的角度大于实际的角度,负数表示求得的角度小于实际的角度)。
可以看到使用小波阈值去噪后,求得的角度精度基本可以保持在4°以内,基本可以满足定位精度要求不是很高的定位要求。
由图8可以看到,经小波去噪后,RSSI与距离的关系有了较好的一一对应关系,从而可以较为准确的根据RSSI值求得距离。图9也说明了这一点(正数表示求得的角度大于实际的角度,负数表示求得的角度小于实际的角度),可以看到,求得的距离误差基本都在5 m之内,最大的误差也不超过10 m,这样对于精度要求不高的定位,是完全可以满足的。
4 结束语
本文先利用路径对数损耗模型和Friis公式建立阅读器接收到的功率与标签相对于阅读器的距离以及角度的关系式,然后再使用小波去噪进行相关处理,最后利用最大值法得到角度以及距离,从而实现标签的定位。本文提出的RFID定位方法在天线的识读范围内(上述实验以100 m为例),只需要一个阅读器即可,而LANDMARC及其大部分变形,在这个范围内至少需要4个阅读器加上数千个标签,所以本方案大大降低了室外或室内大范围定位的成本。同时,由仿真结果可以看到本方案提出的定位方法也达到了一定的精度要求,对于精度要求不高的定位,如人员定位是完全可以满足的。另外,如何使本文提出的定位方法不再局限于模型,而是运用到实际的信道环境中,是本文下一步的研究目标。
摘要：针对现有的RFID定位方法只适合室内小范围定位,大范围定位成本非常高,无较大可行性,且技术过于复杂的问题,提出了一种新RFID定位方法,即使用一个阅读器天线布置在定位区域的中心位置,然后按一定角速度转动。根据读回的接收信号强度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)与转动的角度之间的数据,使用小波阈值去噪处理,再使用最大值法求得角度;最后根据RSSI与距离的关系求得距离,从而实现定位。由于实验条件所限,所以先采用对数路径损耗模型建立起研究对象的模型,依据该模型进行仿真实验,结果表明,该方法可以满足室内、室外大范围的,精度要求不是很高的定位需求。
关键词：RFID,小波去噪,RSSI,定位,对数距离路径损耗模型
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RFID定位 篇6
关键词：物联网,RFID,定位技术
随着高科技犯罪的日益增加, 人们对如机场大厅、展厅、仓库、高档写字楼等场合的安全管理更加重视, 尤其是对访客的管理要求越来越高。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制, 比较完善的定位技术目前还没有很好的被利用。采用传统的人员管理方式已不能满足要求, 本文采用基于物联网RFID技术的人员定位管理方式, 可以解决传统管理方式的不足, 如效率低、不能实时监控、成本高等;能够实现对人员的实时跟踪管理, 并将人员信息及行动记录以电子化的方式保存在数据库中, 以方便管理人员实时查询及日后的历史查询, 彻底取代以往纸质保存人工管理查询的方式, 并与监控录像系统有效结合, 实现可视化管理, 进而能及时发现异常情况并进行处理。
1 射频技术
RFID (Radio Frequency Identification) 系统称为无线射频系统, 无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术, 它的工作原理:使用射频电磁波通过空间耦合在阅读器和进行识别、分类和跟踪的移动物品之间实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID是一种利用电磁能量实现自动识别和数据捕获的技术, 可以提供无人看管的自动监视与报告作业。
RFID系统一般由阅读器、应答器和应用系统三部分组成, 通过电波在响应媒介和询问媒介间传递信息。阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号, 当应答器进入发射天线工作区域时产生感应电流, 应答器获得能量被激活, 应答器将自身编码等信息通过其内置发送天线发送出去, 系统接收天线接收到从应答器发送来的载波信号, 经天线调节器传送到阅读器, 阅读器对接收的信号进行解调和解码送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该应答器的合法性, 针对不同的设定做出相应的处理和控制, 发出指令信号控制执行机构动作。
2 方案设计
2.1 系统组成
本系统主要由定位网络节点 (应答器) 、无线ID模块、标准电缆等组成。RFID无线网络跟踪定位系统采用RFID无线网络技术, 应答器设置成一个电子卡;阅读器则是安装在室内固定的位置上, 通常其位置是已知的, 利用这些已知位置的阅读器来定位处在运动状态的应答器;所安置的网络模块将自动组成一个RFID通信网络, 这个通信网络实际就是一个定位网络, 每一个网络节点就是一个定位点, 网络节点可通过自动读取移动目标的信息和信号强度, 来确定移动目标的位置信息, 网络定位点在已有的通信电缆的地方直接通过RS232接口与现有的通信电缆相连接, 再通过交换机将信息上传到终端管理计算机, 实现对人员的定位管理。系统的中央管理控制软件是定位系统的管理中心, 以控制阅读器和RFID卡的工作状态, 以及进行定位数据统计处理等, 系统组成图如图1所示。
2.2 系统部署方案
本文采用2.45GHz频率的有源射频系统。因为人体对无线电波具有很强的吸收作用, 而普通的无源射频技术因为功率较低, 穿透能力较弱, 应用于人员管理时, 容易造成射频标签无法被正常识读;而有源电子标签内装有电池, 标签的工作电源完全由内部电池供给, 一般具有较远的阅读距离和较强的穿透能力, 可以穿透所有的非金属物质, 人体的遮挡也不会造成标签的识读错误。而且可以确保每个运动方向的人员的信息都能够有效地被自动采集到, 不需要出入人员主动进行配合, 效果较好。
在远程监控现场 (譬如大门和关键区域) , 部署RFID硬件设备 (RFID阅读器和天线) , 一旦人员进入受控区域, 其有源标签就会发送信息给阅读器, 上传给人员定位软件系统进行处理或存储。
RFID人员定位系统的示意图如图2所示, 其天线的具体布置方案应该根据现场的实际情况设计和实施。
(1) 大门受控区域。
每个大门使用一台RFID阅读器, 实现对人员进出数据的自动采集和传输。两个天线分别安装在大门内部和外部, 调整无线射频控制范围, 使两个天线的监控区域分别覆盖门内和门外的进出通道。
当携带射频卡的人员通过大门时, 其卡内的信息将被大门内外的两个天线依次采集到, 并由中间件传输到后端系统。对人员的进出判断由软件系统依据内外天线采集数据的先后顺序确定人员的行动轨迹。
(2) 过道或其他受控区域。
在过道或受控区域部署RFID阅读器, 调整阅读器的射频控制距离。当携带射频卡的人员进入受控区域时, 卡内的信息将被自动采集并通过中间件传输到后端系统。后端系统采用RFID人员定位软件产品可以实时完成对采集数据的统计分析, 显示人员当前所在的区域, 实现与监控录像系统、门禁管理系统等不同安防系统的全面结合, 实现对人员 (包括外来访客) 的有效监控和管理。
2.3 系统功能实现
基于RFID技术的物联网人员定位系统可克服传统的人员管理模式, 实现现代人员管理的自动化和无纸化, 可以提供更丰富的功能实现, 具体功能如下所示。
(1) 具有RFID人员卡分配和回收流程, 可提供人员信息录入界面。
(2) 能实时监控各区域内的人员, 可通过图像化方式查看人员的状态。
(3) 能提供人员定位历史信息的多样化查询机制及报表显示。
(4) 根据时间和区域, 在地图上可查看被监控人员的行动轨迹及停留时间。
(5) 电子地图可随意更换, 可动态设置RFID阅读器在地图上的位置。
(6) 能提供基于角色的权限管理机制, 为不同级别的管理人员提供不同的信息展现。
3 结语
本文研究了室内射频识别 (RFID) 定位系统, 该系统是移动自定位系统。在本系统中采用阅读器安装在室内固定的位置上, 其位置是已知的, 利用已知位置的阅读器来定位处在运动状态的电子标签。阅读器通过检测其周围的电子标签对自己的位置进行定位并将位置传输给计算机系统, 实现对人员的实时定位管理。
参考文献
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RFID定位 篇7
随着城市交通的智能化发展, 大量的先进技术被引进到ITS (Intelligent Traffic System, 智能交通系统) 中, 车辆自动定位技术就是其中的一项重要技术。目前, 城市车辆自动定位技术中, 使用最多的是GPS (Global Positioning System, 全球定位系统) 。但随着RFID (Radio Frequency Identification, 无线射频识别) 技术的快速发展, 将RFID 技术应用于城市交通的自动车辆定位系统是智能交通发展的必然趋势。
二、RFID车辆定位系统简介
(一) RFID技术简介。
RFID (Radio Frequency IDentification) 是一种无线通信技术, 通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据, 而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场, 把数据从附着在物品上的标签上传送出去, 以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量, 并不需要电池;也有标签本身拥有电源, 并可以主动发出无线电波 (调成无线电频率的电磁场) 。标签包含了电子存储的信息, 数米之内都可以识别。射频标签不需要处在识别器视线之内, 也可以嵌入被追踪物体之内, 因此操作过程十分简单、方便。
(二) RFID工作原理。
1.RFID的基本组成。
RFID系统是由阅读器 (Reader) 、电子标签 (Tag) 、应用软件系统 (PC) 组成的一种简单的无线系统, 用于控制、检测和跟踪物体。RFID系统组成图如图1所示。阅读器:由天线, 耦合元件, 芯片组成, 读取 (有时还可以写入) 标签信息的设备, 可设计为手持式RFID读写器或固定式读写器。电子标签:由芯片和耦合元件组成, 附着在物体上用于标识目标对象, 一个标签对应一个电子编码。应用软件系统:是应用层软件, 主要是把收集的数据进一步处理, 并为人们所使用。
2.RFID 的工作原理。
RFID的工作原理, 可以简述为:当电子标签进入磁场的有效工作范围内时, 通过接收阅读器发出的射频信号, 凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 (Passive Tag, 无源标签或被动标签) , 或者由电子标签主动发送某一频率的信号 (Active Tag, 有源标签或主动标签) , 阅读器读取信息并解码后, 将其送到后台PC主机系统进行相关的数据处理。主机系统根据逻辑运算识别该电子标签的身份, 针对不同的设定作出相应的处理和控制, 最终发出指令信号控制阅读器完成相应的读写操作。其工作过程是:第1步:信息发送过程:阅读器通过天线发送一定频率的射频信号或由电子标签主动发射一定频率的射频信号;第2步:信息传输过程:电子标签与阅读器进行通信传输, 将自身的编码信息发送给阅读器;阅读器采集电子标签发送的信息, 并进行相应的解码处理;第3步:信息解读过程:阅读器将解码后的有效信息传送至后台的计算机系统进行进一步的深入处理, 最终实现贴电子标签的目标对象的自动识别。
三、RFID自动车辆定位系统功能的实现过程
RFID定位系统包括道路路面电子标签、车载阅读器、GIS模块和车载终端显示模块几部分, 整个系统框架如图2所示。
将每一个标注了道路的位置的RFID电子标签间隔一定的距离布设在路面上 (可采用粘贴或地表浅层埋设工艺) 。在车辆的底盘上面安装RFID的阅读器, 当车辆在道路上行驶经过RFID电子标签时, 阅读器就会读取电子标签获得编码信息, 并将接收的信息发送给车载GIS系统 (Global Information System, 地理信息系统) , GIS则会在其内部的电子地图信息数据库中进行查找, 从而找到与编码信息对应的电子地图上的具体位置点, 并将其在电子地图上显示出来, 这样, 用户就可以知道自己当前所处的地理位置, 实现了车辆的定位功能。RFID定位示意图如图3所示。
四、RFID技术在自动车辆定位系统应用中存在的问题
RFID技术作为一种非接触的新型识别和数据信息交换技术, 可以用来实现多目标的快速、准确的识别。将RFID应用于自动车辆定位系统中, 电子标签和阅读器通过采用双向的无线通信方式, 载波信号穿透力强, 信息防冲撞功能好, 为信息在传输过程中的稳定性和可靠性提供了保证, 而电子标签和阅读器的感应范围和速度可根据管理灵活调整。但采用RFID技术的自动车辆定位系统, 车辆的定位信息只能在安装标签点采集数据, 只能显示车辆在采集点的位置信息, 不能实时显示车辆的位置, 使用的局限性较大。因此, 车辆的位置信息与安装标签的密集程度和相邻标签之间的距离有关。若安装密集, 资金投入大, 维护成本高;若安装设备太少, 定位信息的覆盖面就会变小, 无法实时感知车辆的状态信息。可以看出, RFID技术不适合在开阔区域大范围使用, 非常适合在GPS定位的盲区等小范围使用。因此, 对于RFID和GPS这两种定位技术, 如果能将二者结合进行改进, 扬长避短, 就可大大提高城市车辆自动定位的精确度和适用性, 满足不同区域的需求, 实现城市车辆的无缝定位。
五、改进的RFID车辆定位系统
(一) GPS定位使用的卡尔曼滤波模型。
GPS最常用的定位解算算法是最小二乘法和卡尔曼滤波。最小二乘法算法在进行定位计算时忽略了系统的状态方程, 主要是根据车辆当前时刻的测量值来进行定位计算的, 并且在定位过程中没有对噪声信号进行处理或只对噪声信号进行了简单的处理, 因此定位误差大。而在实际运动中, 车辆的状态是是一种缓慢的变化状态, 即当前时刻车辆位置和速度不会与上一时刻有太大差别, 相邻时刻的车辆运动状态是有密切关系的, 通过对状态信号进行频谱分析, 发现有用信号主要是低频成分, 因此可以使用卡尔曼滤波器这样一个低通滤波器来滤除噪声, 达到很好的定位效果。
GPS定位过程中, 通常采用扩展卡尔曼滤波 (EKF) 线性化, 通过对车辆的运行轨迹进行预判来实现对车辆的定位。一般通过采用PV模型来描述车辆的状态信息, 主要包括车辆位置向量、速度向量、接收机钟差及钟漂。模型的状态方程如下:
undefined
(二) 基于改进的RFID位置信息的卡尔曼滤波。
在图3中, 利用RFID对车辆定位的基本思想是, 车辆在行驶过程中, 安装在车辆上的阅读器一直发射射频载波, 当进入读取电子标签的有效范围内时, RFID阅读器就可以获得安放在道路上的RFID电子标签中的位置信息。而车辆的位置信息会一直使用本次读到的电子标签的位置信息。直到读到下一个电子标签的位置信息。
这种依靠RFID电子标签进行定位的精度与电子标签的距离直接相关, 而花费预算也与标签密集度直接相关。为了减少投入资金与定位精度之间的矛盾, 下面提出一种改进的RFID 定位方法, 这种方法将RFID主动定位与 GPS 定位相结合。在这种改进的定位方法中, 定位方式还是以GPS定位为主, RFID电子标签只对运行中的车辆进行位置误差的修正, 而不是起定位的作用, 因而在实际使用过程中, 所需的标签数量少, 电子标签的铺设费用也可以大幅度降低。
车载GPS定位采用的卡尔曼滤波实际上将最小二乘法定位值的高频分量滤掉, 从而使定位值呈现出一种缓慢变化的曲线, 如果每隔一段距离使用RFID对定位值进行校正, 那么对于定位误差显然有一定的约束作用, 而且还可以对滤波器的发散起到一定的抑制作用。
若仅仅采用RFID电子标签的定位, 则定位精度不仅与铺设的电子标签数量有关, 而且还与电子标签相互之间的间隔距离相关, 这样不仅需要大量的电子标签, 而且所需费用也大大增加。而本方法中提出的采用 RFID电子标签辅助定位的方式, 定位精度仅与可阅读距离相关, 与标签的距离无关。而可阅读距离的大小可以通过调整标签倾角, 波束宽度等参数进行调整。
通过读取电子标签中的位置信息来不断修正车辆的状态误差估计矩阵, 使得扩展卡尔曼滤波 (EKF) 的展开点在真实值的附近。具体算法流程图如图4所示。
PV模型所作的变换为:
undefined
根据正定矩阵的性质可知, 若p为正定矩阵, p的各阶主子式都为正。通过变换后, 0.36E3也是正定矩阵, 故p’也是正定矩阵。改进的RFID定位示意图如图5所示。
六、结语
如何提高定位精度是自动车辆定位系统研究中的重要问题, 本文提出的改进的RFID定位方法结合GPS定位所使用的EKF算法, 通过使用RFID标签所提供的精确位置坐标来修正EKF算法中的状态估计值, 来降低定位误差, 与全部采用RFID标签定位方法相比, 不仅减少了电子标签的数量, 也节省了资金。在高楼林立的城市中, 当GPS的定位精度受到影响时, 也可采用这种方法进行弥补。
参考文献
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RFID定位 篇8
在一些弹药仓库、技术阵地等国防地下工程以及各种矿井中,均要求对工作人员的出入及其活动区域进行严格管控。这些地下工程、矿井一般为坑道式结构,具有累计纵深长、分支多的特点,常用的视频监控系统由于监控存在死角、对违规现象须人工识别、不能自动报警、对照明系统依赖程度高等原因,未能实现对人员的实时有效管控。因此,亟需建立一种适用于地下工程建筑、具有自动报警功能的人员管控系统,对工作人员进行定位和管控。
目前常用的建筑内定位技术主要有基于红外线的定位技术、基于超声波的定位技术、基于超宽带的定位技术和射频识别定位技术等。文献[1]～文献[3]认为:射频识别定位技术便于实现、定位精度较高,且造价较低,用在室内定位系统中较为适合,其中又以ZigBee技术尤其适合,但对于ZigBee的室内定位系统的设计改进还有待于研究开发,它将是研究RFID技术的良好案例和应用。
射频表示可以辐射到空间的电磁频率,频率范围在300 kHz～30 GHz之间,射频电磁波在空间特别是在建筑内部空间受各种传播环境的影响显著,一种单一的传播模型无法准确描述在不同环境下发射机与接收机之间的传播特性,必须根据不同的建筑内部环境使用不同的模型[4]。
1 人员管控系统简介
无线传感器网络是由大量散布于待监测地域的传感器节点通过自组织方式形成的网络,网络中的各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后,通过相邻节点接力传送的方式传送回汇聚节点,再通过汇聚节点以有线网络连接等方式传送给最终用户。结合了FRID技术的ZigBee无线传感器网络,可以较好地实现地下工程内人员管控系统功能[5]。人员管控系统结构如图1所示。
该系统由中心数据库、无线传感器网络和射频电子标签等组成。中心数据库用于存储工作人员的指纹、脸部特征、允许活动区域以及所配备电子标签的编码等信息;在该地下工程各区域的天花板或墙壁上固定安装传感器节点,其位置已知;有源电子标签定时采集传感器节点所发送的位置信息和RSSI值并写入定位模块,分析计算得到自身位置后再发送给邻近传感器节点,并经由无线传感器网络发往监控中心,经过相关软件处理后,实现以下功能:
① 实时监控:监控中心实时显示工作人员的位置信息;
② 查找人员:输入工作人员姓名,立即显示此人当前所在区域;
③ 禁区报警:如果有人进入权限规定以外区域,系统自动报警,并显示违规人员名单;
④ 考勤统计:统计工作人员到岗时间、离岗时间、出勤率等[6]。
此外,在应用于弹药仓库时也可为重要区域的无线传感器网络节点配置温湿度传感器,实现温湿度环境监测,或为重要武器装备配备有源电子标签,加强对武器装备的管控。
系统中,有源电子标签的发射功率直接决定其待机时间长短;在传感器节点接收灵敏度一定的情况下,发射功率还决定了有源电子标签与传感器节点间的最远可靠传输距离,从而影响到实现有效管控所需的无线传感器网络规模。对有源电子标签所需发射功率进行估算,一个重要问题是分析传播路径损耗,这方面有多种计算模型,不同的模型适用于不同传播环境,得出的损耗值差别很大,这就需要根据地下工程的结构特点,选择合适的传播损耗模型,以下对几种主要的传播损耗模型进行比较分析。
2几种传播损耗模型分析
2.1由空间传播损耗模型
自由空间传播损耗是指天线辐射的电磁波随着传播距离的增大,能量的自然扩散而引起的损耗,不考虑传播介质对电磁能量的吸收影响,反映了球面波的扩散损耗。当探测器与无线发送装置之间距离为d时,自由空间传播损耗为[7]:
或:
L=-27.55+20lgf(MHz)+20lgd(m), (2)
式中,d为传播距离,λ为工作波长,f为工作频率。
这种传播模型,计算参数易于测得且不依赖于经验值,但仅用于当发射机与接收机之间没有任何阻碍,能进行视距传播时的路径损耗值估算。
2.2分隔损耗模型
在实际情况下,电磁波还要受到诸如地面的吸收、反射和障碍物的阻挡等影响,因此,自由空间传播损耗模型并不适用。地下工程内的障碍物包括钢筋混凝土墙壁、安全门和地板等。各种不同的障碍物电气特性差异很大[8]。文献[9]研究了室内频率为2.4 GHz的电磁波对几种常见障碍物的穿透损耗。该测量使用矢量网络分析仪,中心频率为2.4 GHz,带宽为160 MHz,垂直极化和水平极化。在发射点和接收点之间放置各种不同类型物料的障碍物,测出穿透损耗的值如表1所示。
分隔损耗模型认为电磁波在室内传播时的路径损耗L近似于自由空间直接传播时的路径损耗Lf加上室内墙壁或障碍物的穿透损耗Lw(Lw与工作频率和墙体材料有关):
L=-27.55+20lgf(MHz)+20lgd(m)+Lw。 (3)
分隔损耗模型用于估算无线传播损耗时计算较为简便,适用于单层或内部分隔较少的建筑。当建筑层数或障碍物数目增加时,损耗值并不是简单地呈倍数增长,这就需要具体测量不同障碍物数目时的分隔损耗值或使用其他的传播损耗模型。
2.3衰减因子模型
多楼层间的无线传播损耗包括建筑物的类型影响以及阻挡物引起的变化等,此时的路径损耗可以用衰减因子模型来估算[10]:
式中,L(d0)是发射点到参考距离的路径损耗(称为“参考路径损耗”);nsf表示同层测试的指数值、FAF表示楼层衰减因子,均与具体的环境和工作频率有关。文献[11]给出了一栋四层办公楼在2.4 GHz频率下,楼层衰减因子的测量值:穿过楼层数为一、二、三的楼层衰减因子分别为25.73 dB、33.85 dB和45.54 dB。
这一模型灵活性很强,预测路径损耗与测量值的标准偏差较小,适用于多层建筑内的无线传播损耗估算,但针对不同类型建筑情况下不同频段范围的衰减因子的测量工作尚未完成,还需继续深入进行。
3 实例分析
假设某地下工程从上至下共分三层,中间一层包括人员通道和各工房,是工作人员的主要活动区域,传感器节点也都固定安装于这一层;中间层与下层为混凝土地板隔断,与上层为天花板隔断;中间层的人员通道与各工房之间为一堵混凝土墙隔断,墙上有门。电磁波在发射机与接收机之间传播时所穿透的障碍物最多为一扇门或一堵混凝土墙,依据以上分析,并对比分隔损耗模型的适用条件,认为某地下工程可用分隔损耗模型进行模拟。
在自由空间传播模型中,距离发射天线d处的功率密度为:
此处接收天线的接收功率为:
式中,Pt为发射功率;Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益;Ae接收天线的有效接收面积,最佳接收状态下
在分隔损耗模型中,由式(3)得:
不妨取极限情况,即距离发射天线d m处的接收天线的接收功率为接收灵敏度Pr,则此时发射天线的发射功率至少为:
或
Pt(dBm) = Pr(dBm)-Gt(dB)-Gr(dB)+
Lf(dB)+ Lw(dB) 。 (10)
在目前已有的ZigBee无线传感器网络方案中,基于CC2430/31的ZigBee解决方案以其快速性、廉价性最具竞争力。CC2430/31芯片具有卓越的射频性能,包括超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力,该型芯片工作频率范围:2 400～2 483.5 MHz;接收机模式下电流损耗27 mA;发射机模式下电流损耗25 mA;输出功率高至0 dBm;灵敏度-92 dBm;工作电压范围2.0～3.6 V。下面分析在人员管控系统中将CC2430用于ZigBee网络的传感器节点在发射功率方面的可行性。
根据使用要求,有源电子标签被工作人员携带且位置固定时,无论发射天线朝向如何,它所发送的信息均应能被临近传感器节点的接收天线接收到,且接收功率一致。即要求发射天线能将能量均匀地向各个方向辐射出去,发射天线的方向性系数D=1[7],取天线效率
Gt=DηA=0.8 dB。 (11)
由于传感器节点均安装于天花板上,其接收天线用于接收来自其他传感器节点和下方有源电子标签发射的电磁波,因而不要求具有全方向性,可以取Gr=1 dB。
传感器节点CC2430芯片工作频率f=2 400 MHz,结合系统中发射机与接收机之间最多隔一堵混凝土墙的实际情况,由表1得LW=21.601 dB。
由式(10)得分隔损耗模型中发射功率为:
Pt(dBm) =Pr(dBm)-Gt(dB)-Gr(dB)+
Lf(dB)+ Lw(dB)=
-30.14+20lgd(m)。 (12)
发射功率Pt与发射端到接收端距离d的关系如图2所示。
由图2可知,有源电子标签所需发射功率随路径长短d呈对数关系增长,当路径d从10 m增加到20 m时,Pt从-10 dBm增加到-4 dBm,d从20 m增加到40 m时,Pt从-4 dBm增加到2 dBm,即路径d每增加1倍,Pt增加6 dB;当有源电子标签的发射功率Pt为-10 dBm时,可靠传输距离d仅10 m,Pt为0 dBm时,可靠传输距离d可达30 m。
最远可靠传输距离为20 m、30 m和50 m时有源电子标签所需发射功率Pt与传感器节点接收灵敏度Pr之间的关系曲线如图3所示。
由图3可知,在给定接收灵敏度的情况下,有源电子标签所需发射功率随最远可靠传输距离的增大而增大。Pr为-100 dBm时,距离20 m、30 m和50 m处所需的Pt分别为-14.13 dBm、-10.60 dBm和-6.17 dBm,此时接收灵敏度高,对芯片的要求较高,不够经济;当接收灵敏度Pr降低至-80 dBm时,不同距离处的Pt分别增大为5.88 dBm、9.40 dBm和13.83 dBm,对电子标签的发射功率提出了更高的要求,不利于实现长时间待机。
假设坑道式地下工程宽5 m、高4 m,则无线信号最大可靠传输距离为30 m时能以较小的无线传感器网络规模实现对人员的有效管控。选择接收灵敏度为-92 dBm的CC2430芯片用于传感器节点,选定发射端到接收端最远可靠传输距离d=30 m时,要求有源电子标签的发射功率不小于-2.6 dBm,同时不大于5 dBm,因而可以选择具有定位模块且发射功率高至0 dBm的CC2431芯片用于电子标签。鉴于电子标签须由工作人员随身携带,且发射功率要求不高,可以采用锂离子电池供电。
4结束语
针对各种地下工程和矿井提出为工作人员配备有源电子标签,采用基于ZigBee的射频识别定位技术对有源电子标签进行定位以实现人员定位和实时管控的方法,这种方法可以在较大范围内对目标进行识别和定位。通过分析比较几种典型无线传播损耗模型,得出各模型优缺点和适用范围,选择在分隔损耗模型的基础上,对人员管控系统中有源电子标签所需的最小发射功率进行估算。研究了电子标签发射功率与传播距离、传感器节点接收灵敏度之间的关系,从而为有源电子标签的设计选型提供了依据。这些研究对类似室内定位系统的规划和设计有一定的借鉴意义。
摘要：针对一些坑道式地下工程需要实现对工作人员实时管控的需求,构建了基于智蜂(ZigBee)无线传感器网络和射频识别(Radio Frequency Identification,FRID)技术的人员管控系统。电子标签的发射功率估算是人员管控系统设计的重要方面,在分析几种典型无线传播模型的基础上,得出了各模型的优缺点和适用范围。就适于地下工程的分隔损耗模型,分析了电子标签发射功率与无线传播距离和传感器节点接收灵敏度之间的关系,并对有源电子标签所需的最小发射功率进行了估算,结果表明,选用最大发射功率为0 dBm,接收灵敏度为-92 dBm的无线芯片便可以满足有源电子标签的设计需求。
关键词：无线传感器网络,射频识别,传播模型,功率估算
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RFID定位 篇9
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术, 其原理是通过射频信号自动去识别目标对象从而获取需要的数据, 其自动识别工作期间不需要人工操作。RFID技术能够读取识别高速运动物体并可同时进行多标签的识别, 其操作简单灵活便捷。目前, 国内以及国外的著名景区以及5A景区中, 基于RFID的景区定位技术的应用已经越来越普遍了。
1系统整体需求
系统功能需求包括: 1景区内全程定位。2景区里随时查询。3景区里位置报告。4景区里终端布点。5电子标签的循环使用。6监控整合。
2系统总体方案
本方案是基于RFID的旅游景区对游客定位系统是以通过远距离RFID电子标签作为游客信息的载体, 实现移动状态下自动识别, 通过数据收集整理发送至后台数据库, 提供整个系统数据来源, 进而实现目标自动化。实现系统集计算机软件及硬件、信息采集处理、数据传输等为一体。
3系统总体设计
3.1系统硬件设计
3.1.1 RFID标签
采用“主动方式”进行工作, 主动发射信号给读写器的腕带式电子标签, 发射频次可自己调。电子标签的内部采用高能锂电池, 在标准环境下, 可以保证电子标签连续工作3年以上。
3. 1. 2固定式读卡器
采用防水固定读写器加GPS数据传输技术, 支持标准的工业级RS - 232、RS - 485串行接口, 支持透明数据传输模式, 并且能够将现有的有线RS - 232 /485以无线方式取代, 避免了繁琐和复杂的布线, 真正做到即插即用。该产品的有效识别距离可以达到1 500 m, 能同时识别200张标签。性能稳定、允许长时间工作, 信号的传输能力强, 能够使用10年以上等优势。该产品的主要功能优势是可以防水、防雷、防冲击, 很大程度上满足工业环境的要求。
3. 1. 3激活器
采用P802 RFID激活器 ( 定位器) , 可以与电子标签、电子签封锁等进行数据更新, 数据采集和更新标签中的区域信息, 可以根据标签被激活的先后顺序做出非常准确的进出判断, 有效识别范围内的2. 4G读写器将收到该标签以2. 4G频段发射的数据包, 解析出该数据包中的标签ID号和激活器编号后立刻上传到后台电脑, 继而实现对景区内目标的区域定位和游客的活动路线的实时跟踪, 完全满足工业环境的要求。
3. 2系统软件设计
3. 2. 1系统功能模块
系统的功能模块可以分为系统管理、设备管理、用户管理、 站点管理、游客信息管理、游客监控以及报表管理。普通用户可以看到的系统功能有更改密码、设备查询、用户查询、站点查询、游客查询、查看报表、在线打印。系统管理员可以看到的系统功能有系统维护、权限管理、设备维护、用户维护、站点维护、 游客信息维护、监控游客、数据查询、查看报表、在线打印。各个维护功能包含了对该数据的增、删、改、查, 如用户维护包含了用户信息的增加, 用户信息的删除, 用户信息的修改, 用户信息的查询等子功能。
3. 2. 2数据概念结构设计
游客实体E - R图, 包括角色、操作、游客信息、站点、设备, 用于确定游客信息及使用游客ID进行游客位置查找。站点实体E - R图, 包括站点名称、状态、经度信息、维度信息, 用于标注各景点具体位置。游客行迹E - R图, 实现游客历史行迹查找及当前位置定位, 包括游客ID、站点、时间。
3. 2. 3数据表设计
游客表, 描述游客的信息, 包括游客ID号 ( 自增主键) 、身份证号、姓名、联系电话、家人联系电话、入园时间。站点表, 描述景区所有站点位置信息, 包括站点ID号 ( 自增主键) 、站点名称、站点经度信息、站点维度信息。游客行迹记录表, 描述游客途径站点的信息, 包括ID号 ( 自增主键) 、游客ID ( 外键) 、站点ID ( 外键) 、行迹时间。
4管理系统实现
系统工作时, 读卡器接收标签上报的信息, 接收到标签信息后, 将标签信息写入缓存, 并对每个标签进行计时, 相同的ID标签第一次接收到会立即上报, 之后若继续接收到, 则每10 s上报一次, 这样做的目的在于降低数据流量, 在系统比较庞大时, 会有效减轻系统的负荷。读卡器无论有没有标签都会每秒往计算机上报一次数据。
景区工作人员可根据管理系统来显示对游客行程轨迹的追溯管理。景区工作人员可根据时间段、游客的RFID电子门票追溯到在某特定的时间段的行程轨迹以及在某点的停留时间。同游伙伴可根据伙伴游客ID, 在各景点触摸显示屏上进行伙伴位置行迹及当前位置查找。
5结语
本系统是一个运用较为方便的交互平台, 具备了景区所需要的游客管理和定位功能。笔者希望该系统将会被广泛应用到我国的大小景区内, 并且能够应用于人员定位管理等方面。
摘要：目前, 基于RFID的景区定位技术在世界许多著名旅游景区的应用已经越来越普遍。通过RFID技术实时追踪定位游客, 可以寻找旅游伙伴的位置, 预防儿童走失, 有效地分流游客, 防止游客滞留以及进入违法规定禁区“动植物保护区”或危险区, 根据游客数据分析设定最佳旅游路线等。本方案的设计是基于RFID的景区管理系统, 采用了RFID射频识别技术和计算机管理技术, 通过对旅客沿途信息进行识别、采集、记录, 结合通信传输技术, 清晰明确地记录了旅客在每个景点的时间和旅行记录, 最终实现旅客定位和旅客行迹跟踪。
关键词：RFID无线射频识别技术,固定式读卡器,游客定位
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