基于WiFi的電子標簽定位算法

摘要：設計了一套以WiFi技術和RFID定位技術為基礎的定位系統(tǒng)，簡單介紹無線WiFi網(wǎng)絡的優(yōu)勢及系統(tǒng)的硬件部分。在算法方面詳細描述了LANDMARC算法和三邊定位算法，對兩種算法的優(yōu)缺點進行分析，并結合兩種算法提出一種新的算法。并在某公司樓道中進行實驗，結果表明該定位算法取得了在2 m范圍內(nèi)的準確定位。
關鍵詞：WiFi；室內(nèi)定位；RFID；LANDMARC算法；三邊定位算法

引言
隨著無線通信的快速發(fā)展，由此引起的關于室內(nèi)定位的無線網(wǎng)絡和RFID技術的結合也越來越受關注。人們對物品、人員位置的需求也越來越強烈。在室外的定位，如熟知的GPS定位已經(jīng)做到讓很多人都滿意的程度，但是一旦進入到室內(nèi)，由于建筑物的阻擋以及多徑效應，GPS在室內(nèi)的定位的效果大打折扣，所以室內(nèi)定位的研究成為定位后續(xù)的研究重點。住公司中需要對人員和物品進行定位的時候范圍很大。傳統(tǒng)的標簽定位的距離有缺陷，限制了其廣泛的應用。所以義提出了RFID技術和無線網(wǎng)絡結合，擴大其定位的范圍。
無線WiFi在一個免費的2．4GHz頻段，有很高的數(shù)據(jù)傳輸速度。所以選擇基于WiFi網(wǎng)絡通信的定位標簽。WiFi網(wǎng)絡有如下優(yōu)勢：WiFi的工作頻段在2．4GHz，而且處于免費頻段，對用戶來說不需要額外的費用；WiFi的傳輸距離可以達到100m，可以覆蓋整個大樓；WiFi的傳輸速率很高，可達到54 Mbps。
影響定位的精確度不僅僅是關于定位技術的選擇，同時定位算法的選擇也會影響其定位精度。常見的室內(nèi)定位的算法主要分為兩類：基于測距技術的定位算法和距離無關的算法。基于測距技術的算法一般是通過節(jié)點之間的距離或者角度來計算出未知節(jié)點的位置，實際運用中常見的有：基于接收信號強度指示算法(RSSI)、到達角度算法(AOA)、到達時間算法(TOA)等。距離無關的算法有：質(zhì)心法、APIT算法、凸規(guī)劃算法等。這些算法都是利用節(jié)點之間的鄰近關系實現(xiàn)定位的。
一般來說，基于測距技術的算法比無需測距的精度要高。本文采用基于無線網(wǎng)絡的RFID技術，并在此基礎上提出一種算法，實現(xiàn)誤差范圍小的定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的硬件結構
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)俗稱電子標簽。RFID是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器(或閱讀器)和很多應答器(或標簽)組成。
定位系統(tǒng)的硬件包括：閱讀器、電子標簽和無線WiFi模塊。
閱讀器是用于讀取／寫入標簽信息的設備。
電子標簽分為有源和無源兩類。有源技術電子標簽內(nèi)部有電池，它的壽命一般比無源的長。在電池更換前一直通過設定頻段向外發(fā)送信息。本文所采用的有源技術電子標簽具有長時間的壽命。
無線WiFi模塊主要是用于電子標簽、閱讀器以及AP(用于接收標簽的發(fā)射信號)之間的通信。
RFID定位可用于倉庫管理、公司人員、物品以及醫(yī)院病人的準確定位。但是由于距離限制了其發(fā)展，所以把無線WiFi技術和RFID技術結合起來，進一步地提高定位的范圍和精度。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件及定位算法
2．1 基于信號強度算法
傳統(tǒng)的信號傳播容易受到折射、反射、繞射、衍射等影響，接收到的信號強度是各種途徑傳播來的信號的疊加。所以有時候信號強度增大，有時候又減小。經(jīng)過大量的實踐，發(fā)現(xiàn)接收信號強度服從log-normal分布。通過信號在傳播中的衰減來估計節(jié)點之間的距離，根據(jù)信道模型求解接收到待定位置的信號場強：

式中：n為路徑損耗指數(shù)，與周圍的環(huán)境有關；Xσ是標準差為σ的正態(tài)隨機變量；d0是參考距離，在室內(nèi)環(huán)境中通常取1 m；PL(d0)為參考位置的信號強度。
假設有n個AP，m個參考標簽，則AP點接收到的待定標簽的強度量P=(AP1，AP2，…，APn)，采集到的第t個參考標簽的強度矢量為St=(St1，St2，…，Stn)，則待定標簽和參考標簽St之間的歐氏距離為：

基于信號強度算法代表是LANDMARC算法。該算法主要通過比較不同Et來尋找與待定標簽位置最近的參考標簽。當由K個鄰近的參考標簽來確定一個待測標簽的時候，我們稱之為“K-最鄰近算法”，待定標簽坐標是(x，y)：

其中的Wi和(xi，yi)分別是第i個鄰居參考標簽的權重因子和坐標位置。根據(jù)經(jīng)驗：

權重越大的，E值越小。