软件2012年第33卷 第4期Software国际IT传媒品牌基于RFID的蛛网模型定位算法设计李纲，张少辉，唐迪（周口师范 计算机科学与技术学院，河南省 周口市 466000）摘要：针对当前室内定位算法所遇到的精度问题，在LANDMARC系统的基础上提出了一种基于有源RFID的蛛网定位算法。文中介绍了蛛网模型的建立，详细阐述了蛛网定位系统的定位原理以及算法的实现，并通过仿真实验对蛛网定位算法的误差进行了分析，论证了该算法的可行性和精确性。关键词：射频识别；蛛网模型；室内定位算法；信号强度；参考标签中图分类号：TN911 文献标识码：A DoI: Algorithm Design of Cobweb Model Based on RFIDLI Gang, ZHaNG Shaohui, taNG Di(Zhoukou Normal University, School of Computer Science and Technology, Zhoukou 466000 China)【Abstract】to encounter the precision problem about indoor positioning algorithm, the basis of LaNDMarC system, put forward a cobweb positioning algorithm of active rfID. this paper introduces the cobweb model establishment, elaborated the principle and algorithm of cobweb positioning algorithm. and it analyses the error of the positioning analysis through simulated experiments. It proves that the cobweb positioning algorithm is possibility and accuracy.【Key words】rfID; Cobweb model; Indoor location algorithm; Signal intensity; reference tags[1]带来的影响，因此更适合应用于室内环境定位。0 引 言研究证明射频信号强度在空间中传播存在衰减规律，即读随着物联网（Internet of Things，IOT）技术的不断发展，写器测得的信号强度越强，则标签就离读写器越近，反之，则越其关键技术日趋成熟，越来越多的技术应用被提出，其中发展远。因此，通过检测读写器接收的信号的强度就可以估算出标潜力巨大的室内目标定位技术，关注度和研究深度都在不断上签的大概位置。接收信号强度法（RSSI）即根据此规律发展而升。与众多传统的无线定位技术如GPS、红外(Infrared)、超声来。波(Ultrasound)、蓝牙(Bluetooth)、Wi-Fi、紫峰(Zigbee)、超目前室内定位系统大都使用RSSI方法，但算法和原理宽带(Ultra-Wideband，UWB)等技术相比，射频识别 (Radio 之间还有不少差别。目前典型的RFID定位系统主要有：Frequency Identification，RFID)技术具有非接触、非视距、成[1]SpotOn，VIRE，LANDMARC等。SpotOn系统构造了一个室本低、定位精度高等优点，因此成为了室内定位技术的首选。内环境的传输损耗模型，通过聚合算法减少信号强度误差，利基于RFID技术的定位方法主要是通过标签对物体的唯一标识用信号传播模型求出读写器与待测标签的距离，并通过三角定特性，根据读卡器接受到的电子标签发送的信号来获得电子标[2]位算法进行空间定位。VIRE定位系统给每个读写器建立一个签的位置信息。为了减少定位成本并提高定位的准确率，本“相近地图”，用于计算待定位标签可能出现的位置，读写器根据文提出了一种基于有源RFID的蛛网模型室内定位算法。接收到的待测标签的信号强度值与相近地图的匹配度，得到待1 传统RFID室内定位算法定位标签的可能位置。LANDMARC系统引入参考标签概念，随着空间信息技术的发展，出现了多种由室外定位算法演通过寻找与待测标签信号强度最为接近的参考标签，运用权重[2-4]化而来的室内定位算法，其中最主要的有四种方法：到达角度质心法计算待测标签位置。法(Angle of Arrival，AOA)、到达时间法(Time of Arrival，2 蛛网定位系统的建立TOA)、到达时间差法(Time Difference of Arrival，TDOA)和接收信号强度法(Received Signal Strength Indication， 蛛网模型的建立RSSI)。通过大量研究表明，同AOA、TOA和TDOA三种技通过研究LANDMARC系统发现，参考标签总是在一定术相比，RSSI能在一定程度上抵消和减弱由室内多径效应所区域内以某种拓扑结构存在，如矩形结构、蜂窝状结构、三角形· 9 ·软件杂志欢迎推荐投稿：
软件 （您的文章得到院士的关注）李纲 等：基于RFID的蛛网模型定位算法设计结构等。参考标签拓扑结构不同会对算法的定位精度产生一A A A11121mA A A定的影响。文献[7]通过对蜘蛛判断网中猎物位置的方法以及21222mA= (1) 蛛网特点进行研究，发现蜘蛛建造的网有很突出的边缘非对称A A An1n2nm性, 与隐蔽场所相邻的区域面积较小, 而远离隐蔽场所的区B={B B … B} (2)22L域面积较大，且蜘蛛在网周围隐蔽比在网中心处相比猎物损失其中，A是由读写器接收到的参考标签的信号强度组成的率高。本文结合这一特点设计出一种读写器与参考标签按照矩阵，A(=1,2,…,n, =1,2,…,jm)表示第个“相似环”中iiij蛛网结构排列的结构，同时根据蜘蛛用腿拨动蛛网来判断猎物第个参考标签的信号强度，当在室内环境较为稳定时，A矩阵j是否入网的特点提出了一种“点名-回馈”的定位方法。中每一行的数值相等或极为接近。B是由读写器接收到的待测系统选用文献[2]中提到的读写器与参考标签进行设计。标签的信号强度组成的矩阵，B(k=1,2,…,L)表示第k个待测k这里使用的读卡器无变频功能，传输距离为n米，可指定参考标签的信号强度。[2]标签的ID，使其得到命令后延迟秒后进行转发命令操作。t（2）寻找“相似环”。对于第k个待测标签B，其“相似环”k参考标签位置固定，功率为P；最远传输距离为m米。待测标t由公式（3）来计算。即用（1）中的矩阵A的每一项减去B：k签功率固定为Tag_P;传输距离为M米(M≥n)。系统布局如A−B A−B A−B11k12k1mk图1所示。A−B A−B A−B21k22k2mkM=A−B= (3)kk A−B A−B A−Bn1kn2knmk其中，M矩阵里均值最小的一行对应的参考标签组成第kk个待测标签的“相似环”。（3）读卡器“点名”。找到“相似环”之后，读卡器发送一次命令，参考标签收到命令延迟一段后按照既定编号（每一“相似环”中包含的参考标签设定ID编号来确定顺序）依次转发读卡图1 蛛网模型结构图器命令。读卡器位置在蛛网结构的中心，黑色点表示主轴上的参考（4）待测标签“回馈”采集。每个参考标签的转发半径为标签，白色点为网弦上的参考标签。两者为同一种参考标签，m米，在“点名”后，记录每个参考标签所转发的信号被哪些待黑白为逻辑区分。而白色参考点的选择遵循一种规律，即同一定位标签接收到。条主轴上相邻的两个黑色参考标签的中点与相邻的另外一条（5）计算定位。根据采集到的数据，使用蛛网定位算法计主轴上同样位置的一个点连接，组成一条网弦，白点就在网弦算出待测标签所在的位置。的中心位置。任意2个相邻主轴对应位置上的黑点与二者中间的白点可组成等腰三角形结构。3 蛛网模型定位算法的实现通过结构图可知，在室内环境下，针对读写器而言，每条主假定待测标签的几种位置如图2所示。这样蛛网模型定轴相同位置的参考标签具有同样的信号强度。使用RSSI方法位就出现了四种情况：检测参考标签，蛛网模型中会出现若干个信号强度相同的参考（1）待测标签与读卡器位置几乎重合或失真（即超出参考标签，且这些标签与读写器间的距离相同，也即围绕读写器形标签转发半径）。成了一个“圆环”。对待测标签而言，与所有“圆环”比较，存在（2）待测标签位于“相似环”与“次相似环”中间。信号强度最为接近的某一“圆环”，此时，我们称这个与待测标下面进行依次分析。签信号强度最为接近的“圆环”为待测标签的“相似环”。这种 待测标签与读卡器位置几乎重合或失真模型在定位过程中，待测标签的坐标无法准确定位，误差会大由模型分析可得，此种情况下，读写器可以探测到清晰的的离谱，针对这种缺点，本文继而提出了“点名-回馈”法。待测标签信号，但其信号强度与参考标签信号强度相比，不相 蛛网系统定位原理似与任何“一环”参考标签，这种情况默认为待测标签与读卡器蛛网系统在测量待测标签位置的时候所需要的信息通过几乎重合，此时我们假设读卡器位置坐标为(x,y)，待测标签的rr下列步骤获取：位置坐标(x,y)为即待测标签的位置为：（1）信息收集。读卡器向周围发送射频信号，记录此时读(x,y)=(x,y)rr写器接收到的参考标签和待测标签的信号，并建立信号强度矩 待测标签位于“相似环”与“次相似环”中间阵A和B。大部分情况下，待测标签与参考标签的位置关系都如图2的所示。软件杂志欢迎推荐投稿： 10 ·
软件 （您的文章得到院士的关注）李纲 等：基于RFID的蛛网模型定位算法设计图2 测标标签位于“相似环”与“次相似环”中间这种情况下，我们可以把图抽象一种模型，即待测标签在图4 多蛛网拓扑结构 由主轴参考标签和网弦参考点围成的三角形之内。由图3所示。4 系统仿真与误差分析按图5中所放置的待测标签进行仿真实验，一组共10个tag3标签。tag2tag1图3 待测标签与参考标签位置图从图3可知，待测标签同时接收到由1个，2个或3个被“点名”的参考标签所转发的命令。即参考标签分别位于Tag1,Tag2,Tag3所处的位置，下面逐个分析：图5 待测标签位置图待测标签在Tag1类位置。Tag1只被1个参考标签(x′,y′)的扫描范围覆盖，这种情图中黑色三角形为待测标签位置，假设参考标签的距离为况下，用此参考标签的坐标作为待测标签的测量坐标，即，参考标签扫描半径为，用蛛网模型定位算法模拟仿真计算，其实际位置与测试位置如图6所示。(x,y)＝(x′,y′)待测标签在Tag2类位置这种情况下，待测标签在图3中两个参考标签命令转发的公共范围内，因此，我们用两参考标签的中点作为待测标签的坐标，假设两参考标签坐标为(x,y),(x,y)，则待测坐标为：1122x+xy+y1212(x,y)=,22待测标签在Tag3类位置若待测标签在图3中Tag3位置，即在三个参考标签命令转发的公共范围内，我们定义此待测标签的坐标为三个参考标签所组成的三角形的外接圆圆心处。假设三个参考标签的坐标分别为(x,y),(x,y),(x,y)，则有公式：112233222图6 真实坐标与测量坐标对比图(x−x)+(y−y)=r11222(x−x)+(y−y)=由图6可知，有一个点严重失真点，系统判定其r22222(x−x)+(y−y)=r坐标为读写器坐标。其余点测量误差遵循误差公式n331e=e22∑i方程组解出的e=(x−x)+(y−y)，其平均误差为(x,y)，即为待测标签位置。n00i=1由大量实验分析得知，系统误差产生由主轴参考标签之间 蛛网模型的推广需定位面积较大，一个蛛网模型无法覆盖整个面积时，需的距离和参考标签的传输范围决定，在图5的标签位置及假设要建立一个多蛛网拓扑结构，中心点代表了读卡器位置，如图下，得到如图7所示的距离误差关系图。4所示：· 11 ·软件杂志欢迎推荐投稿：
软件 （您的文章得到院士的关注）李纲 等：基于RFID的蛛网模型定位算法设计待测标签距离与误差关系5 结 论通过仿真实验可知蛛网模型定位系统在定位的准确性方4面具有一定优势，由于本系统只使用了一个读写器，比之需要多个读写器的系统大大降低了读写器使用成本，虽然系统对标签的需求和要求有一定提高，导致标签的成本提高，但从系统3总体来说成本有所降低。系统算法易于实现，具有实用价值。本系统也存在诸多需要改进和优化的地方，如由多个蛛网结构2组成无缝定位模型等。参考文献[1] 张健翀. 基于射频识别RFID技术室内定位系统研究[D]．硕士论文．中山大学，[2] 闫保中,姜琛,尹伟伟. 基于RFID技术的室内定位算法研究[J]. 待测标签与读写器的实际距离计算机仿真，2010，（2）图7 待测标签距离与误差关系[3] 韩下林,赵卫东,季军,卫刚,柳先辉. 基于RFID技术的室内由于设备限制，无法得到大量数据，现通过计算可知，当距定位算法及其改进[J]. 计算机工程，2008，（11）[4] 李军怀,孙转宜,王一乐,王锋. 基于虚拟参考标签的RFID定离小到一定程度时误差较大，距离大到一定程度误差也会变位系统构建方法[J]. 计算机科学，2011，38（4）大，其估计图如图8所示[5] 王小辉,汪云甲,张伟. 基于RFID的室内定位技术评述[J]. 传感器与微系统，2009，28（2）[6] 王勇,胡旭东. 一种基于RFID的室内定位算法[J]. 浙江理工大学学报，2009，26（2）[7] A strid . 蜘蛛位置对成功捕获猎物和球型网图案的影响(英文)[J]. 动物学报，2004[8] Rao K．An overview of backscattered radio frequency identification system(RFID)[J]，Microwave Conference，Asia Pacific，2001，23(2)：P746-749参考标签之间的距离图8 参考标签之间距离与误差结果对比图更正说明《软件》杂志2012年33卷第3期22-24页发表文章：“模糊控制在多级长皮带联合调速节能系统中的应用”11*2李丽宏 王宏 武丽君(1.太原理工大学 山西 太原 030024；2.西山煤电股份有限公司马兰矿选煤厂 山西 古交 030200）此文章特更正作者信息为：“模糊控制在多级长皮带联合调速节能系统中的应用”11*2王亚姣 王宏 武丽君(1.太原理工大学 山西 太原 030024；2.西山煤电股份有限公司马兰矿选煤厂 山西 古交 030200）特此更正！软件杂志欢迎推荐投稿： 12 ·测量误差e平均误差
