基于RFID技术的三维定位算法研究

王小辉，田 磊

（1.西安欧亚学院 休闲管理学院，陕西 西安710065；2.陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710069；3.西安邮电大学 电子工程学院，陕西西安710121；4.西北大学 现代物理研究所，陕西 西安710069）

基于RFID技术的三维定位算法研究

王小辉1，2，田 磊3，4

（1.西安欧亚学院 休闲管理学院，陕西 西安710065；2.陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710069；3.西安邮电大学 电子工程学院，陕西西安710121；4.西北大学 现代物理研究所，陕西 西安710069）

为了实现三维状态下LANDMARC系统的高精度定位，采用RFID室内定位算法，提出具有矫正因子的三维矫正定位算法，同时结合三角定位技术，将三维矫正定位算法应用于三维空间中，确保提高定位精度。通过Matlab仿真可以看出，提出的三维矫正定位算法应用于空间定位，计算误差降低了50%，提高了系统的可靠度。并且克服了LANDMARC系统硬件成本高，需要较多参考指标的不足。

LANDMARC；三维定位；矫正因子；算法

无线定位技术的研究促进了移动定位技术的快速发展，但由于室内定位信号失锁，会引起整周模糊度计数停止。另外，全球定位系统（GlobalPositionSystem: GPS）属于卫星定位系统，其适用环境在室外[1，2]。由于上述定位技术的局限性，而射频识别（Radio Frequency Identification:RFID）技术与有非接触的特点，所以，RFID在室内定位得到广泛应用[3-5]。但是目前各种RFID定位算法均是二维算法[6-8]，文中提出一种RFID三维矫正定位算法，与原有LANDMARC系统相比，定位精度得到显著提高。

1 RFID定位技术

RFID技术是一种非接触、自动识别技术。利用射频特性进行信号传输，从而完成对具体目标的识别过程，与此同时，还可以从被识别目标中获取有用信息。由于射频技术的特点，所以本技术具有工作距离远、非视距等优点，可工作于各类环境。其系统框架结构如图1所示。

图1 RFID系统结构图

由图1可知，系统架构主要由RFID标签、读写器与收发天线构成。具体的工作流程是利用RFID天线的收发功能，将某频率的射频信号在标签与读写器之间进行传送。当RFID标签在读写器读取射频信号距离范围内时，标签即被激活，同时发送射频信号，信号通过天线传至读写器。

RFID技术主要应用在 SpotON、3D-iD和LANDMARC三大系统中。为了更好地看出上述3个系统地各项指标，文中将各项指标作以对比，见表1所示。

表1 三大系统优劣比较

表1中，相比于SpotON和3D-iD而言，LANDMARC的定位精度更高，可扩展性更好，这就保证了该技术可以在复杂环境下稳定持续的工作[9-10]。

2 LANDMARC定位算法

LANDMARC定位算法的基本原理是近邻算法和间接测量算法的综合，通过经验公式对待定位标签的实际坐标位置进行模拟仿真。

设系统的仿真条件为：M个RFID读写器，L个待定位标签，N个总参考标签数，K个用于定位所选的邻近参考标签数量，则算法的主要步骤如下[11-13]：

1）分步测算待定位标签以及参考标签到读写器的信号强度，具体表达如公式（1）。

式中，信号强度是S，标签到读写器距离为d，ai表示相应的曲线拟合参数。由于该式所利用的模型未将信号强度与响应距离之间的物理特性作深入研究，所以，为了得到更好的拟合效果，计算过程需要海量测量值和多项式阶次。

2）求解待定位标签i与参考标签h间的欧几里得距离。

如果i的信号强度矩阵可表示为：S=[Sij]（i=1，2，…L；j=1，2，…M）。Sij表示读写器j检测到i的信号强度等级值。设相应的参考标签h的信号强度矩阵是：θ=[θij]（h=1，2，…N；j=1，2，…M）。同理，θij表示的就是读写器j检测到h的信号强度等级值。根据上述分析可知，i和h的信号强度等级间的欧几里得距离如下式：

式中Dih越小，表示i与h的距离越近，反之则越远。对于不同的i和h，均可用相同的方法计算出对应的欧几里得距离Dih。

3）求解i的坐标。

首先需要确定出与i信号强度最近的K个参考标签，则i的坐标可表示为：

上式，（xih，yih，zih）表示的是第μ个h的实际位置坐标；wih表示的是为第μ个邻近参考标签h的权重。那么，wih的数值按下列经验公式确定：

3 三维矫正定位算法

文中采用三角定位工作原理 （如图2所示）[14]，图中的A、B、C分别表示3个RFID读写器，而他们各自到待定位标签的检测距离设定为R1、R2、R3。此时，这三组检测距离可以通过估算定位标签的信号强度而得出。如果已知这3个读写器的坐标（x′，y′，z′），即可计算得到待定位标签的坐标（x，y，z）。而该坐标与实际的位置坐标之间可能会存在一定的误差，该误差用（δx，δy，δz）可表示为式（5）：

根据上述对三角定位法的分析，可以看出该方法要求至少出现3个或3个以上的RFID读写器能同时检测到待定位标签。随着检测到待定位标签的RFID读写器数目的增多，系统地计算精度也将更精确，相应的坐标即可依次得出。

图2 三角定位法的工作原理

为了将计算流程具体化，此处假设RFID读写器的数目为n个、参考标签是m个以及u个待定位标签。在正常工作状态中，读写器工作在连续模式下，根据上述要求每个标签可以同时被3个以上读写器检测到[15-16]。其具体的计算流程为：

1）得到同时检测到待定位标签的读写器个数p，p∈[3，n]；

2）从第1）步中检测到的个读写器检测到的所有参考标签中挑选出能被p∈[3，p]个读写器，同时检测到的r个参考标签；

4）根据三角定位方法，利用q个读写器计算出k个最近邻居参考标签的位置，已知 k个参考标签的实际位置（xi，yi，zi），并根据式（4）得出（δxi，δyi，δzi）， 通过统计得出平均误差，称为定位误差矫正因子。

5）根据三角定位方法，利用第2）步得到的q个读写器计算出待定位标签的位置（x′，y′，z′），并根据等效式（x，y，z）=（x′，y′，z′）+（δxi，δyi，δzi）来计算待定位标签的实际位置（x，y，z）。

4 算法仿真

结合三维矫正定位方法，设置4个RFID读写器，20个参考标签，10个待定位标签，具体的仿真布局图如图3所示。

图3 读写器的标签布局图

根据第3节中的计算流程，此处设定相关的参数值，q=3且k=4。对10个待定位标签做100次仿真实验， 依次得出最邻近参考标签坐标1，2，3，4，已知最邻近参考标签坐标 （xi，yi，zi）i= 1，2，3，4。

图4 改进算法与LANDMARC算法比较

由上图可知，通过本文设计的三维矫正定位算法，单位面积上的平均误差较原有的LANDMARC算法下降了近一倍。由此可见，将三维矫正定位算法应用于空间定位，可以大大降低计算误差，提高系统的可靠度。

5 结 论

文中采用伪距差分法，结合 RFID定位中LANCMARC系统的原理，提出一种三维矫正定位算法，引入矫正因子来修正定位精度，并把该算法用在三维室内定位，该算法不但缩小了定位范围，而且由于引入了矫正因子而进一步提高了定位精度。

[1]Zhang Qinghui，Li Wei.Research on the three dimensional indoor RFID positioning algorithm[C]. 2010 Second International Conference on Computer Modeling and Simulation. Sanya，Hainan:IEEE Computer Society，2010，4:93-95.

[2]龚真春，宋执环，李平，等.一种低成本的差分GPS定位系统的设计与实验 [J].计算机测量与控制，2005，13（1）:86-88.

[3]张晓亮，赵平，徐冠青，林日明.基于一种优化的KNN算法在室内定位中的应用研究[J].电子设计工程，2013，21（4）:44-46.

[4]吴文癤，王潇，赵鲲鹏，等.基于RFID技术的智慧园区室内定位算法[J].电信科学，2016（3）:187-191.

[5]文湘欣，黄勇，安文霞.RFID室内定位算法与天线布设方案研究[J].西华大学学报：自然科学版，2015，34（2）:79-85.

[6]闫保中，姜琛，尹伟伟.基于RFID技术的室内定位算法研究[J].计算机仿真，2010，27（2）:20-324，355.

[7]屈军锁，侯晓宁，张继荣，樊永军.四基站时差和牛顿迭代法的三维定位算法 [J].西安邮电大学学报，2015（2）:36-40.

[8]HUANG Xiang，WANG Zhi-zhong，GUO Jian-hua. Theoretical generalization of Markov chain random field from potential function perspective[J].Journal of Central South University of Technology，2016（23）:189-200.

[9]朱娟，周尚伟，马启平.基于RFID的室内定位算法[J].微计算机信息，2009，25（8）:160-162.

[10]韩下林，赵卫东，季军，等.基于RFID技术的室内定位算法及其改进[J].计算机工程，2008，34（22）: 266-267，270.

[11]Chong Wang，Hongyi Wu，Nian-Feng Tzeng. RFID-Based 3-D Positioning Schemes[C]. INFOCOM2007.26th IEEE International Conference on ComputerCommunications.Anchorage，AK: IEEE，2007，1235-1243.

[12]王远哲，毛陆虹，刘辉，等.基于参考标签的射频识别定位算法研究与应用[J].通信学报，2010，31（2）:86-92.

[13]顾嘉，钱钰博，孙厚芳，等.工装室内定位技术研究[J].北京理工大学学报，2010，30（9）:1056-1058.

[14]王峰，尚超，聂百胜.无线传感器网络三维定位算法[J].数学的实践与认识，2015，45（2）:184-189.

[15]Sung-Tsun Shih，Kunta Hsieh，Pei-Yuan Chen.An Improvement Approach of Indoor Location Sensing Using Active RFID [C].Proceedings of the First InternationalConference on Innovative Computing，Information and Control.Beijing:IEEE Computer Society，2006（2）:453-456.

[16]范吕.一种新的研究捷联惯导系统误差传播特性的方法[J].现代电子技术，2016，39（3）:123-126.

Design of the three-dimensional positioning algorithm based on RFID

WANG Xiao-hui1，2，TIAN Lei3，4
（1.Leisure Management College，Xi'an Eurasia University，Xi'an 710065，China；2.College of Tourism and Environment，Shaanxi Normal University，Xi'an 710062，China；3.School of Electronic Engineering，Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an 710121，China；4.Institute of Modern Physics，Northwest University，Xi'an 710069，China）

In order to realize the three-dimensional state under the LANDMARC system of high precision positioning by RFID indoor location algorithm，put forward a correction factor of three-dimensional correction algorithm， and combining with the triangulation technology 3D correction localization algorithm is applied in three-dimensional space，to ensure the improvement of the positioning accuracy. The Matlab simulation shows that the proposed method is applied to the spatial location，and the calculation error is reduced by 50%，which improves the reliability of the system.And overcome the LANDMARC system hardware cost is high，need more reference index.

LANDMARC；triangulation location；correction factor；algorithm

TN925.93

：A

：1674－6236（2017）06-0136-04

2016-04-14稿件编号：201604146

西安市社会科学规划重点项目（2015EA03）；陕西省教育厅科研计划项目（15JK1676）；西安邮电大学青年教师基金重点项目（101-0488）

王小辉（1979—），女，陕西咸阳人，博士，副教授。研究方向：地理信息系统。