一种基于超高频RFID电子标签的精确定位系统
一种基于超高频RFID电子标签的精确定位系统 摘要：本文介绍了一种圆内接正六边形的精确定位系统。系统将阅读器到参考电子标签的定位误差计算在内，可同时 定位多个电子标签，也可以对运动标签定位，成本低。通过 数据分析可得，该系统在不同的环境下定位精度高，可靠性 高。
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：
1674-9324（2015）46-0056-02 射频识别技术（Radio Frequency Identication）是 从20世纪80年代起逐步发展走向成熟的一项自动识别技术。
它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工 作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别 高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便[1]。
在未来几年中，超高频RFID技术将会得到非常广泛的应用 [2-3]。
采用RFID作为定位识别技术的典型代表是SpotON。该系 统基于信号强度分析，发展了一种聚合算法对三维空间进行 定位，SpotON系统中硬件标签以网络状的形式分布，无须中 央控制单元，通过标签检测到的信号强弱来表征标签之间的几何距离，但是完整的SpotON系统目前为止仍不完善[4]。
采用红外线定位技术只适合于短距离传播，且容易被荧光灯 或房间内的灯光干扰，所以该定位技术在定位范围和定位精 度上有很大的局限性[5]。Cricket Location-Support System和Active Bat均采用超声波时延信号进行定位，其整 体定位精度较高，但需要大量的底层硬件设施，成本太高。
除此以外，其他定位技术，如UWB[6]、Bluetooth[7]等，都 有其各自的优缺点。为提高RFID技术定位的精度，本系统充 分利用RFID技术非接触和非视距等优点，设计了圆内接正六 边形定位系统。
一、RFID定位系统介绍 1.三边测量法。无线信号的接受强度和信号传输具体的 关系可以用式（1）来表示，其中RSSI是接受信号强度，d是 收发节点之间的距离，n是信号传播因子。
RSSI=-（A+10nlgd）？摇 （1） RSSI值受周围环境的影响较大，具有时变特性，有时会 偏离式（1）的描述，根据接收信号强度估计出来的距离d就 会有较大误差。通过大量数据分析，采用了一个噪声模型， 即环境衰减因素模型，可有效补偿环境因素带来的误差，如式（2）所示。
RSSI=-（A+10nlgd）-EAF （2） 上式中EAF（dBm）为环境影响因素，它的值取决于室内 环境，是靠大量的数据累积的经验值。EAF是一个随机变量， 但为了增强实用性，将其固定为一个值。通过大量比较实验 环境下测得的RSSI值与理想状态下的RSSI值，得到实验环境 EAF大概为11dBm，A取值45，n取值3.5[8]。
在采集到RSSI值后，依据式（2）就可以得到阅读器到 标签的距离，通过三边测量法[9]就可以定位到待定位标签 的位置。如图1所示。
在实际情况下因RSSI受多径衰减和非视距阻挡的影响， 所估测的d1、d2、d3值比实际的d大得多。三个圆两两相交 于点D、E、F，连接D、E、F为三角形，以三角形的质心作为 对未知节点的估测距离。如图2所示。
2.圆内接正六边形定位系统。为了将RSSI受多径衰减、 非视距及系统本身的影响考虑在内，基于超高频RFID的高精 度定位系统组成如图3所示，使用三个远距离RFID阅读器R1、 R2、R3及4个参考电子标签A、B、C、D，其中3个阅读器和3个参考电子标签处于圆内接正六边形的六个顶点，参考标签 D处于圆的圆心。
阅读器天线R1动态扫描电子标签发射的信号，获取参考 标签A、B、C、D到R1的距离，分别记为r1A、r1B、r1C、r1D。
由于参考标签的位置事实上已经固定，将该系统定位得到的 r1A、r1B、r1C、r1D与实际r1A0、r1B0、r1C0、r1D0做误差 计算，分别记为δ1A、δ1B、δ1C、δ1D。同理R2、R3也可 以分别对参考电子标签A、B、C、D进行定位并得到相应的误 差δ2A、δ2B、δ2C、δ2D、δ3A、δ3B、δ3C、δ31D。
将δ1=（δ1A+δ1B+δ1C）/3、δ2=（δ2A+δ2B+δ2C）/3、 δ3=（δ3A+δ3B+δ3C）/3作为系统的定位误差计入待定位 标签的位置计算中。
二、仿真实验及结果分析 超高频RFID定位系统的优劣主要从其定位精度、成本等 几个方面进行评估。本文特针对系统的定位精度进行仿真分 析。
应用MATLAB仿真软件对基于三边定位算法的定位系统 进行仿真，仿真过程如下：1.给定圆接正六边形系统的半径。则阅读器R1、R2、R3 的坐标可知。
2.在圆的内部产生F点，假设（x，y）。计算D点到阅读 器R1、R2、R3的距离，假设分别为d1、d2、d3。
3.d1、d2、d3分别加上该系统的定位误差δ1、δ2、 δ3后假设为D1、D2、D3。
4.在系统误差不同的情况下，根据R1、R2、R3三点的坐 标和D1、D2、D3用三边测量法计算待定位标签的坐标。
给定圆的半径为4m，F点实际坐标为（0，0），经仿真 得到F点的坐标如图4所示。从定位结果中可以发现该系统在 不同定位误差下具有高的定位精度和可靠性，定位误差不超 过0.04m。
结束语：
本文提出的圆内接正六边形的定位系统只使用了用3个 阅读器和4个参考标签实现定位，将系统受多径衰减、非视 距及系统本身的影响用阅读器到参考电子标签的定位误差 表征，并将该误差用于待定位标签的定位中，通过三边测量法进行定位。仿真结果表明：该系统具有较高的稳定性和精 度，在降低RFID定位成本的基础上提高了定位的性能。
参考文献：
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232-235. [9]林玮，等.基于RSSI的无线传感器网络三角形质心算 法研究[J].传感器技术，2009，（2）：180-182.